PROYECTO FIN DE CARRERA - Uniandes

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PROTOTIPO DETECTOR DE METALES USANDO PLATAFORMA EMBEBIDA

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PROYECTO FIN DE CARRERA

Presentado a

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Para obtener el título de

INGENIERO ELECTRÓNICO

Por:

David Tavera Sánchez

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PROTOTIPO DETECTOR DE METALES

USANDO PLATAFORMA EMBEBIDA

Sustentado el 24 Junio de 2014 frente al jurado:

Composición del jurado

- Asesor: Fredy Segura, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes

- Co-Asesor: Alvaro Achury, Magister en Ingeniería Electrónica /Universidad de Los Andes

- Jurados : Juan Carlos Bohorquez, Profesor Asociado /Universidad de Los Andes


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CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 3 2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 3

2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 3 2.2 Objetivos Específicos................................................................................................ 3 2.3 Alcance y prototipos finales ..................................................................................... 3 3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO .................... 4 4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ........................................................ 5

4.1 Marco Teórico y Conceptual .................................................................................... 5 4.2 Marco Histórico........................................................................................................ 6 5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ......................................................... 7

5.1 Definición ................................................................................................................. 7 5.2 Especificaciones y Restricciones .............................................................................. 7

5.2.1 Especificaciones ................................................................................................ 7 5.2.2 Restricciones ..................................................................................................... 7

6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO.................................................................................. 8 6.1 Plan de trabajo ......................................................................................................... 8 6.2 Búsqueda de información ........................................................................................ 9 6.3 Alternativas de desarrollo ...................................................................................... 10 7 TRABAJO REALIZADO ............................................................................................. 11

7.1 Diseño Hardware ................................................................................................... 11 7.1.1 Diagrama de caja negra .................................................................................. 11 7.1.2 Diagrama de caja blanca:................................................................................ 12

7.2 Diseño Software ..................................................................................................... 20 7.3 Manufactura del prototipo .................................................................................... 22 7.4 Descripción del Resultado Final ............................................................................. 22

7.4.1 Características Generales del Sistema............................................................ 22 7.4.2 Caracterización de Antena.............................................................................. 23 7.4.3 Filtro y Rectificación ....................................................................................... 23 7.4.4 Ganancia ......................................................................................................... 23 7.4.5 CPU ................................................................................................................. 23 7.4.6 Prototipo Final ................................................................................................ 23

7.5 Trabajo computacional .......................................................................................... 24 8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO .................................................................................... 24

8.1 Metodología de prueba ......................................................................................... 24 8.2 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 26 9 Conclusiones y trabajo Futuro ............................................................................... 27 10 AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... 28 11 REFERENCIAS.......................................................................................................... 28


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1 INTRODUCCIÓN Este documento presenta el contexto, el proceso de desarrollo, el diseño, la implementación y los resultados asociados a la ejecución del proyecto Diseño e implementación de prototipo detector de metales usando plataforma embebida. Como primera parte de este documento, inicialmente se enuncian los objetivos y requerimientos que comprenden el alcance del proyecto. Posteriormente se muestra el contexto en el cual se identifica la necesidad planteada y el actual desarrollo en términos de las soluciones existentes. Finalmente se muestra la ejecución real del trabajo en el cual se realiza el proyecto y una comparación con su planeación inicial. En seguida, se muestran el diseño de la solución desde su concepción Hardware y Software. Para cada uno de los artefactos construidos se presentan su lista de especificaciones y su implementación. Se incluyen los circuitos esquemáticos diseñados, sus especificaciones, sus relaciones con otros bloques del sistema y el artefacto como tal. En la tercera parte del documento se presentan los resultados de las pruebas de integración de los diferentes bloques y el prototipo final junto con un resumen de los las pruebas efectuadas para comprobar su funcionamiento. Finalmente, se presentan las oportunidades de mejora en el proyecto y el trabajo futuro a realizar sobre el proyecto.

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo General Desarrollar prototipo para detección de metales con acondicionamiento y procesamiento de señales sobre plataforma embebida que incluya la implementación de una aplicación software modificable, mantenible y extensible que implemente algoritmos de análisis de datos.

2.2 Objetivos Específicos Diseñar e implementar el sistema analógico (adecuación de señal) para la

detección de metales en subsuelo, basada en excitación por onda continua. Realizar la adquisición, digitalización de la señal del sensor y el procesamiento

digital en una plataforma embebida. Documentar el proceso de desarrollo y de implementación algorítmica del

sistema, siguiendo estándares de documentación UML.

2.3 Alcance y prototipos finales Al finalizar el proyecto se entregarán los siguientes prototipos:


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Prototipo de detección de metales portable basado en excitación de onda continua.

Herramienta software para la plataforma embebida seleccionada, con el análisis y procesamiento de señales: modificable, mantenible y usable.

Documentación basada en modelos UML y manual de usuario.

TABLA DE EVALUACIÓN

Objetivo/Alcance Mínimo Deseable Sistema Analógico de adecuación

Implementación en Tarjetas genéricas

Implementación en PCB

Procesamiento en plataforma embebida

Implementación sin sistema operativo, modular

Implementación en sistema operativo, modular

Documentación Diagramas Ad Hoc similares a UML que describen el sistema

Diagramas UML de entidades, actividades

Prototipo Conexiones circuitales del sistema, sin empaque

Prototipo con conexiones a fuente de alimentación y generación, empaquetados

3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO El desarrollo de herramientas y dispositivos portátiles ha sido una de las necesidades más significativas, en un mercado que requiere funcionalidades con respuesta inmediata y que exige el 100% de disponibilidad [1]. A nivel mundial, el desarrollo tecnológico se encuentra en auge en países como Japón, Taiwán y Estados Unidos, en donde los procesos de desarrollo en su mayoría siguen estándares de calidad mundial [2]. En el caso Colombiano, la necesidad de progresar en el ámbito tecnológico ha alcanzado ya niveles políticos: el Departamento de Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación - Colciencias en el Plan Nacional de Desarrollo Científico Tecnológico y de Innovación 2007-2019 define como objetivos principales la creación, apropiación y aplicación del conocimiento y la tecnología para la solución de problemáticas sociales [2]. En términos operativos, la construcción de dispositivos tecnológicos sólo se encuentra en ambiente académico. La solución de la industria en el proceso de adquisición tecnológica está basada en la importación [2]. Sin embargo, la compra de tecnología implica gastos importantes y el desarrollo de dispositivos nacionales se convierte entonces en una posibilidad de minimización de costos.


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En cuanto a problemáticas sociales el contexto generado por el conflicto colombiano y el problema de las minas antipersona, la portabilidad y extensibilidad de un sistema de análisis de datos se convierte en una solución factible y mejorable en el proyecto de desminado del país. Para minimizar costos, una oportunidad se encuentra en el desarrollo de un dispositivo que se encargue de detectar las minas, basados en distintos sensores [3]. Sin embargo, el análisis requiere software que necesita recursos hardware que impiden que el sistema tenga portabilidad.

4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO

4.1 Marco Teórico y Conceptual Detectores de Metal El principio de operación de los detectores de metal se basa en la aplicación de las leyes de Ampere y Faraday. Cuando una corriente variable excita un conductor, se causa un campo electromagnético que alcanza el metal a detectar. Cuando el metal es excitado por el campo magnético, se genera una diferencia de potencial sobre él y las corrientes de Eddy crean un campo magnético propio del metal. Este campo se suma al campo magnético inicial y se observa un cambio en el voltaje inducido sobre el conductor receptor. La presencia de ese metal se determina según las variaciones del voltaje inducido y su relación con la onda excitadora. Algunas posibles técnicas de excitación son: Beat Frequency Oscillator, Pulse Induction, Very Low Frecuency. La tendencia indica la implementación de excitación basada en pulsos, pero por facilidad de implementación existen propuestas de excitación por onda continua [4]. Sistemas Embebidos Un sistema embebido es un sistema computacional dedicado, que desempeña un conjunto de funciones sin otorgar un ambiente general de computación. Son sistemas diseñados para responder a tareas específicas, por lo que su diseño está restringido en términos de recursos hardware. Generalmente, no poseen disco de datos y ocupan poca memoria. Sus plataformas hardware no son extensibles, por lo que demandan implementaciones con óptimo uso de recursos. Su desarrollo demanda comúnmente herramientas de compilación cruzada. Por lo general, se implementan usando sistemas operativos de tiempo real o implementación directa. El lenguaje más común de programación de estas plataformas es C/C++ [5], [6]. Diagramas UML El lenguaje Unified Modeling Language (UML) es un lenguaje de modelamiento de propósito general estándar en ingeniería de software, creado y mantenido por la OMG (Object Managment Group). Éste provee un lenguaje gráfico para representar la arquitectura de software de un programa [7]. El uso principal de este lenguaje es la representación de la estructura y el comportamiento de las diferentes aplicaciones software y permite mostrar diferentes patrones de diseño, basados en especificaciones QoS (Quality of Service) [6]. El estándar actual, al momento de escribir este documento, es UML 2.0 junto con diferentes perfiles pueden ser aplicados en áreas específicas.


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Lenguaje C/C++ C es un lenguaje de programación imperativo estructurado desarrollado, inicialmente, por Dennis Ritchie y Brian Kernighan en 1973. Usado comúnmente en programación de bajo nivel dado su capacidad para el manejo de direcciones de memoria. Por su variado uso, el lenguaje tiene compiladores que permiten su portabilidad en diversas plataformas.

4.2 Marco Histórico El desarrollo de dispositivos detectores de metales tiene su auge en la carrera armamentista de las guerras mundiales. Países como Alemania, Japón y Estados Unidos tienen dispositivos completos que implementan la funcionalidad de detección de minas basadas en tecnologías que detectan la disposición de diversos materiales bajo suelo [8]. A nivel internacional el desarrollo de detectores de minas y de metales se encuentra orientado a la fusión de diferentes sensores y a la optimización de detectores de metales a partir de tecnologías de bajo costo y con poca utilización de metal. Actualmente, se encuentra en las publicaciones de la revista Geoscience and Remote Sensing Letters del IEEE el desarrollo de antenas que implementan la teoría de band-gap electromagnético y de radares de penetración de suelo que han demostrado que la integración con sensores metálicos mejora la precisión de sistemas detectores de minas [9]. El desarrollo de este dispositivo mixto presenta problemas de interferencia por el alto contenido metálico de la antena. Se ha encontrado que la disminución del calibre de las antenas disminuye la ganancia con la que se reciben la señal medida y se propone el uso de tintas que mejoren la precisión de los dispositivos. Adicionalmente, se han realizado desarrollos sobre la construcción de sensores de metal de bajo costo, presentados en la IEEE International Conference on Signal Processing and Communications del 2007. En este campo la implementación de bajo costo exige excitaciones a baja frecuencia y ofrece la capacidad de detectar diferentes tipos de metales. La distancia, desde el nivel del suelo, alcanzada con precisión correcta es de 16 cm [4]. Finalmente, en la IEEEXplore es posible encontrar diversos artículos relacionados con la implementación de aplicaciones sobre sistemas embebidos y particularmente sobre Linux embebido. En su mayoría, los artículos muestran las funcionalidades y limitaciones en la enseñanza en implementación de sistemas en plataforma embebida y el uso de Linux como herramienta base [10]. El desarrollo de dispositivos detectores de metal y de análisis de datos basados en múltiples sensores se ha trabajado de forma local en el desarrollo de un dispositivo detector de minas producido para el año 2009 [11]. El estudio del contexto social político y económico tanto local como mundial fue realizado para el año 2001 por la Ing. Olga Lopera, junto con un análisis basado lógica difusa para implementación de


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algoritmos que decidan la existencia de una mina según la fusión de sensores de temperatura, químicos y metal [3]. En términos de los algoritmos y métodos implementados y estudiados para el análisis y decisión de la presencia de minas o materiales específicos bajo tierra, se han encontrado implementación de lógica difusa [3], [8], lógica AND, lógica OR [8] y redes neuronales [12].

5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO

5.1 Definición El problema a solucionar surge de la necesidad de implementar un dispositivo portable que realice la detección de minas antipersona, basado en sus componentes metálicos, utilizando el procesamiento de una plataforma computacional con la capacidad de realizar análisis matemáticos. Para esto, es preciso que realice la adecuación de la señal detectada, digitalice los datos y posteriormente se pueda realizar análisis que entreguen al usuario una respuesta que indique la información crítica del análisis. La estrategia para una solución apunta al desarrollo sobre plataformas embebidas que implementen en programación de bajo nivel de abstracción diversas funcionalidades. Este sistema debe tener la capacidad de ser extensible, queriendo decir por esto que debe permitir la adición de algoritmos y la modificación de sus versiones. También, dentro del contexto el sistema debe poderse manipular por un ser humano que realiza movimientos suaves sobre el prototipo. El prototipo debe poderse fabricar fácilmente.

5.2 Especificaciones y Restricciones

5.2.1 Especificaciones

El dispositivo debe ser capaz de detectar metales que se encuentren a 2 cm de distancia desde la superficie de la antena.

El ambiente experimental de operación es el laboratorio.

5.2.2 Restricciones

De Negocio: El prototipo debe ser portable. El peso debe estar entre 3.5 y 5.5 kg (Peso común

de fusil [13]) El software implementado debe estar estructurado para que permita la adición

de funcionalidad sin cambios significativos en el código. (Mantenible) Los circuitos integrados y dispositivos discretos a utilizar deben ser asequibles

en el mercado colombiano. El ambiente real de operación es la selva colombiana.


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El prototipo debe ser capaz de resistir movimientos pendulares y golpes menores. Torque brazo humano: 66 Nm aprox (19kg) [14]

De Tecnología: El procesamiento digital y análisis matemático debe ser implementado en

tarjetas de prototipado y desarrollo disponibles o asequibles en el mercado colombiano. De preferencia, disponibles en la universidad.

El dispositivo debe tener interfaces entre cada uno de los bloques que permitan la integración y que posean protecciones eléctricas. BeagleBoneBlack: Sistema operativo de desarrollo: GNU/Linux-Angstrom o Lenguaje de programación: C/C++ o Voltaje de alimentación: 3.3V o Tiempo de muestreo: Configurable – min 125ns [15] o Voltaje mínimo de entrada: 0 V o Voltaje máximo de entrada: 3.3V [15]

FRDM-KL46Z: Sistema operativo de desarrollo: MQX Lite [16] o Lenguaje de programación: C/C++ o Voltaje de alimentación: 5V o Tiempo de muestreo: Configurable – min 0.9us o Voltaje mínimo de entrada ADC: 0 V o Voltaje máximo de entrada ADC: 3.3V

El diseño de circuitos impresos debe ser realizado con la herramienta KiCAD. La fabricación de PCBs se puede realizar en los laboratorios de la Universidad

(Tiempo estimado de entrega: 1 Semana)

6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO

6.1 Plan de trabajo El plan de trabajo resumido de trabajo se encuentra en el siguiente cronograma:

Fig. 1 Plan de trabajo general

El plan de trabajo detallado se puede encontrar en el apéndice 2


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El esquema de trabajo en general está basado en la asistencia al seminario del grupo de Técnicas y Tecnologías de la información (TTDE), donde se exponen los avances realizados en el proyecto. Sin embargo en el desarrollo del proyecto se presentan diferentes cambios con respecto a la planeación. Principalmente la duración de las tareas aumenta porque se realizan en paralelo varias tareas, pero no se finaliza ninguna rápidamente. También en el diagrama que se presenta a continuación se considera terminada una tarea cuando ésta no es realizada ni corregida nuevamente en el desarrollo del proyecto. El cambio de estrategia presentado en Alternativas de Desarrollo obliga a aumentar el tiempo de desarrollo para las tareas principalmente de caracterización.

Fig. 2 Plan de trabajo realizado

La metodología implementada en la primera parte del proyecto, es la mostrada en el plan de trabajo inicial. Por falta de efectividad y de trabajo constante, se cambia de metodología en la semana 12 del proyecto para trabajar basado en iteraciones para sistemas embebidos propuesta en el libro de Oshana [5]. Esta metodología, más allá de detenerse en el diseño detallado de los artefactos está orientada a un proceso de resultados rápidos. Finalmente, se tienen errores en la caracterización de la antena realizada al principio del proceso, por lo que hay un pico de trabajo en la última semana de implementación

6.2 Búsqueda de información Para el desarrollo del trabajo se consultan en una primera etapa artículos IEEE sobre detectores de metales realizados actualmente, para obtener consideraciones de diseño necesarios en el desarrollo dl prototipo. Se destacan para esta etapa los artículos escritos por Sharawi (2007) [4] sobre el desarrollo de prototipos de bajo costo y su desempeño y por McMichael (2013) [9] sobre la fusión de diferentes tipos de sensores. Para la etapa de desarrollo de sistemas embebidos, se utilizan libros relacionados con los procesos de diseño Hardware y Software de Oshana (2013) [5]. También se destaca el libro sobre patrones de diseño de Powel (2011) [6]. Sobre a los detalles de la implementación y de la arquitectura se consultan inicialmente los manuales de usuario de la tarjeta BeagleBoneBlack [17]. Sin embargo, la mayoría de información se obtiene de foros no oficiales disponibles en internet [18]


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Para el desarrollo sobre la tarjeta FRDM-KL46Z, se consultan los manuales de usuario disponibles en la web de Freescale. Sobre los detalles de implementación, la información es obtenida en el desarrollo del curso Sistemas Electrónicos Embebidos del profesor Fredy Segura y de la documentación disponible en el ambiente de desarrollo CodeWarrior IDE, propiedad de Freescale. En cuando a la implementación de los circuitos análogos, la información se obtiene de las notas de clase de los cursos “Análisis y Síntesis de Circuitos” y “Electrónica Básica” vistos a lo largo del desarrollo de la carrera. Adicionalmente en apoyo al proceso de desarrollo y sobre las dudas y los consejos necesarios para el desarrollo del proceso la información es suministrada por el Ingeniero Fredy Segura en cuanto a las tareas necesarias para el proyecto, Ingeniero Alvaro Achury en cuando a los detalles de caracterización del transductor y el Ingeniero Sergio David Bacca en cuanto al desarrollo sobre plataformas digitales de Freescale.

6.3 Alternativas de desarrollo Al momento de realizar el trabajo, las alternativas de solución pueden ser identificadas en dos puntos de decisión críticos. El primero de ellos fue la selección de la plataforma de prototipado y el segundo la variable física a medir para la detección de metal. En cuanto a la plataforma embebida de prototipado, se propuso inicialmente que la tarjeta de BeagleBoneBlack sería la adecuada para realizar el procesamiento. Dado el hecho de que soporta el sistema operativo Linux, se tiene asegurado el la portabilidad del código. Adicionalmente como tarjeta comercial soportaba el manejo de diferentes dispositivos y conexión con otras tarjetas. Se realizaron trabajos de caracterización con la plataforma incluyendo el manejo de los puertos de propósito general, comunicación por protocolo serial y ADC. Sin embargo, el resultado del trabajo y la búsqueda de información arrojan que la plataforma no soporta frecuencias de muestreo más altas de 5kHz. Se cambia de estrategia y se evalúa la tarjeta de prototipado de Freescale FRDM-KL46Z. Su frecuencia de muestro alcanza los 715kHz, para un modo de 8bits de resolución y un tiempo de conversión alto. La tarjeta ofrece también la posibilidad del desarrollo de código basado en componentes software embebidos configurables desde el ambiente de desarrollo CodeWarrior, ofrecido gratuitamente por Freescale. Con respecto a la variable física a medir, existe la restricción de usar el sensor dado por el profesor Fredy Segura y diseñado por el Ingeniero Alvaro Achury. En presencia de metal la señal recibida por la bobina receptora presenta cambios en amplitud y fase. Inicialmente, el sistema se desarrolla para identificar cambios de fase producidos en la señal. Los objetos de prueba para este caso tienen volúmenes grandes (aprox. 100 cm3) aproximadamente, permitiendo detección de fase. Sin embargo, con objetos de volúmenes pequeños (aprox. 12 cm3) el cambio de fase no puede ser detectado, dado


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que es menor a los 7 grados (fase mínima detectable por la plataforma, en la frecuencia de muestreo seleccionada). El sistema se implementa finalmente buscando la detección de amplitud, permitiendo ubicar la frecuencia de excitación más cercana a la frecuencia de resonancia y permitiendo identificar metales a 4 cm de distancia del centro. Finalmente, se toma la decisión de montar los circuitos con funcionalidades diferentes en tarjetas impresas diferentes para soportar el cambio de circuitos en caso de mejoras en la versión del prototipo. Se considera que al ser un prototipo, el sistema tiende a tener modificaciones sobre la marcha por lo que el diseño de una sola tarjeta podría implicar un gasto innecesario, para modificaciones pequeñas.

7 TRABAJO REALIZADO

7.1 Diseño Hardware

7.1.1 Diagrama de caja negra

Fig. 3 Diagrama de Caja Negra.

Entradas: Dtct Clbr: Comando de un usuario que indica que quiere realizar una detección. Metal: Variable física que representa un metal a detectar. Dada la naturaleza del transductor, su detección representa la medición de impedancia. ON: Comando de usuario que indica que se debe prender el sistema. Salidas: Presencia: Señal digital de 4bits que indica el nivel de metal detectado en dicho momento


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7.1.2 Diagrama de caja blanca:

Fig. 4 Diagrama de Caja Blanca

TRANSDUCTOR Bloque que representa la antena utilizada para realiza la detección del metal. Éste se encarga de enviar una excitación hacia el suelo y de leer los cambios que ocurren sobre ella cuando retorna} Entradas: Metal: Variable física que representa el metal a detectar. En términos eléctricos representa una impedancia. InW: Señal sinusoidal con amplitud modificable y frecuencia fija (máx 8MHz) que excita el transductor Salidas: OutW: Señal análoga leída después de realizar el envío. Se espera que disminuya la amplitud y la fase, con respecto a la señal de entrada.


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Fig. 5 Transductor

El transductor utilizado en el desarrollo del proyecto fue otorgado por el profesor Fredy Segura. Sus dimensiones son de 14cm X 1 cm. Según los resultados de la caracterización, la antena tiene frecuencias con máximos de voltaje locales en 79kHz, 252KHz, 380kHz. La frecuencia de excitación seleccionada es de 360kHz, dado que para una alimentación de 12Vpp la amplitud de la señal recibida es de 19Vpp y por consideraciones de peso en la batería, el voltaje máximo pico a pico es de 20V. En la implementación del sistema completo la señal de excitación es de 23Vpp, para asegurar sensibilidad del sistema a las muestras mostradas más adelante. La caracterización de la detección de materiales metálicos, sigue el protocolo de prueba mostrado en la Tabla II, en la sección Validación del Trabajo. La excitación aplicada es de 12Vpp@360kHz. Los objetos de prueba son:


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Fig. 6 Muestras detectadas

Los resultados son:

Fig. 7 Caracterización Antena

EXCITACIÓN ONDA CONTINUA Bloque que representa el circuito generador de la onda de excitación InW. Éste se encarga de generar una onda sinusoidal con diferentes amplitudes y una frecuencia fija. Entradas: PW: Señal análoga que alimenta el circuito. Salidas: InW: Señal sinusoidal con amplitud modificable y frecuencia fija (máx 8MHz) que excita el transductor La generación de la onda de excitación se realiza con los implementos de laboratorio, dado que no pertenece a los objetivos del proyecto. Para la caracterización de la


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sensibilidad de la antena se usa una señal sinusoidal de 12Vpp@360kHz. En la implementación y caracterización del sistema se configura la señal en 23Vpp@360kHz. FILTRO Y RECTIFICACIÓN Bloque que se encarga de convertir la señal sinusoidal en una señal DC para su posterior medición. Entradas: OutW: Señal leída por el transductor. Sgn: Señal leída por el transductor escalada a valores de voltaje manipulables por el ADC. Salidas: OutWF: Señal DC de igual amplitud a Sgn, a ser digitalizada. El circuito diseñado es:

Fig. 8 Circuito Bloque Filtro y Rectificador

Para validar el funcionamiento se realizan las siguientes simulaciones:

Fig. 9 Simulación Circuito Bloque Filtro y Rectificador

Finalmente el filtro y rectificador implementado es:

Time

0s 5us 10us 15us

V(V5:+) V(C1:2,D12:1)

-4.0V

-2.0V

0V

2.0V

4.0V


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Fig. 10 Implementación Circuito Filtro y Rectificador

GANANCIA Bloque que representa el circuito análogo de ganancia y adecuación de la señal rectificada y filtrada. Éste se encarga de adecuar la señal recibida al rango de voltaje de lectura del ADC. Esta adecuación implementa un circuito de acoplamiento de impedancias, un circuito de ganancia en voltaje y una protección para el ADC. Entradas: OutW: Señal obtenida de la lectura del transductor que debe ser adecuada para su digitalización. Salidas: Sgn: Señal acondicionada al rango de voltaje de lectura del ADC [0-3.3] V Dado el hecho de que la amplitud de la señal recibida es de 19Vpp la ganancia del circuito se establece en 0.34 V/V. En la implementación actual la ganancia del circuito se ubica en 0.35 V/V dado que la amplitud de la señal de entrada (recibida desde la antena) es de 17.55 Vpp. El circuito implementado es:

Fig. 11 Circuito Bloque Ganancia


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Para validar el funcionamiento se realizan las siguientes simulaciones:

Fig. 12 Simulación Circuito Bloque Ganancia

Finalmente el circuito de adecuación implementado es:

Fig. 13 Implementación Circuito Bloque Ganancia

CPU Bloque que representa el núcleo de procesamiento digital del sistema. Éste se encarga de digitalizar la señal acondicionada, detectar los cambios con respecto a la señal excitada aplicar algoritmos de análisis sobre los datos y devolver los resultados obtenidos al usuario. Entradas:

Time

0s 0.5us 1.0us 1.5us 2.0us 2.5us 3.0us

V(OUTW) V(SGN)

-10V

-5V

0V

5V

10V

(698.376n,3.1361)

(698.376n,8.7497)


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OutWF: Señal DC acondicionada al rango de voltaje de lectura del ADC [0-3.3] V Cmd: Comandos codificados que representan los servicios y acciones que el usuario

solicita. En esta primera versión sólo es de 2 bits Salidas: Presencia: Señal digital de 4bits que indica el nivel de metal detectado en dicho momento El bloque CPU es implementado sobre la tarjeta de desarrollo de Freescale FRDM KL46Z. La siguiente imagen presenta cómo son configurados lo pines para el desarrollo del proyecto

Fig. 14 Pines de conexión Bloque CPU

BATERIA Bloque que representa la batería del sistema. Éste se encarga de alimentar todos los circuitos del sistema. Debe ser recargable y suministrar suficiente energía para 8 horas Salidas: PW: Señal análoga de alimentación. [+/- 15V] Para la alimentación del prototipo se utiliza los dispositivos de alimentación disponibles en el laboratorio. Basados en el comportamiento del sistema implementado, se requiere una batería capaz de otorgar 24V. El consumo de corriente medido es de 34mA.


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CONTROLES de USUARIO Bloque que representa los circuitos y actuadores que permiten al usuario interactuar con el sistema. Éste se encarga de generar las señales digitales que representen los comandos que puede usar un usuario específico. En la primera versión de este bloque sólo existe un comando. Entradas: Dtct: Comando de usuario que ordena al sistema realizar la toma, el registro y el análisis de datos. Clbr: Comando de usuario que ordena al sistema realizar calibración de los datos según la situación actual del sistema. Salidas: CmdDtct: Comando digital que indica la orden que ha suministrado el usuario. En esta primera versión, es una palabra de 1 bit. CmdClbr: Comando digital que indica la orden de calibrar el sistema. Los circuitos implementados son:

Fig. 15 Circuito Bloque Controles de Usuario

Fig. 16 Implementación Circuito Bloques de Usuario


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7.2 Diseño Software Para el diseño software de la plataforma se plantea el siguiente modelo de entidades. En la implementación, cada entidad representa un archivo fuente separado. La asignación de responsabilidades se basa principalmente en funcionalidades hardware y software que tiene cada entidad. El diseño es apoyado por la herramienta ProcessorExpert y el desarrollo de Componentes posible para microcontroladores Freescale. En el caso de los drivers es posible encontrar la implementación de las entidades en más de 1 archivo.

Fig. 17 Diagrama de Entidades

El Macro algoritmo del sistema es el presentado en la siguiente figura. Este no contiene las funcionalidades explícitas del Sistema Operativo, que se exponen más adelante


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Fig. 18 Macroalgoritmo del sistema

Fig. 19 Detalle Tomar Muestra

La implementación sobre el sistema operativo MQX Lite sólo requiere dos tareas para la estrategia de medición de amplitud. Para el control sobre su ejecución se implementa un semáforo binario que se solicita al principio de cada tarea, y se cede al finalizar. Tarea Detectar. Ésta se encarga de realizar un número definido de muestras (TAM), definido por defecto en 30, y calcular el valor promedio. Posteriormente pone un estado fijo sobre los LEDs, según la intensidad de la medición. La prioridad es dejada por defecto, dado que la ejecución sólo posee dos tareas. Tarea Calibrar Ésta se encarga de realizar la calibración del software para determinar los rangos de voltaje bajo los cuales se identifica detección. Por defecto, el voltaje de detección es de 2.95V. La calibración exige que el usuario exponga el prototipo a una situación sin metal y oprimiendo un botón, exponga al prototipo en una situación con metal. La prioridad es dejada por defecto dado que la ejecución sólo posee dos tareas.

Fig. 20 Tareas Sistema Operativo


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7.3 Manufactura del prototipo Para la fabricación del prototipo se utilizan los siguientes materiales: - 1 Tubo PVC 1” - 1 Caja Multiusos de 17cmX12cmx13cm - 1 Codo PVC 1”, 1 Acople en T PVC 1” - 20 Tornillos 1/8” x 1”, 3 tornillos 3/8” x 1/2", 1 tornillo 3/8” x 1.5”

El diseño utilizado es:

Fig. 21 Manufactura del prototipo

7.4 Descripción del Resultado Final El desarrollo del proyecto utiliza una metodología bottom-up para su desarrollo. Los bloques presentados en la sección anterior son desarrollados paralelamente, según la disponibilidad de recursos y tiempo para su desarrollo. Puntualmente, las etapas de desarrollo son:

7.4.1 Características Generales del Sistema

Durante esta etapa se plantearon las ideas y estrategias de solución, para el desarrollo del proyecto. Gran parte de este trabajo se realiza en la etapa de refinamiento de la propuesta de proyecto de grado. Sin embargo, por sugerencia del asesor se repite y redefine esta etapa. Los diseños definitivos son mostrados en la sección anterior Tareas: - Descripción del Problema - Construcción de caja negra


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- Definición de especificaciones - Definición de restricciones - Construcción de Caja blanca - Definición de Arquitectura SW

7.4.2 Caracterización de Antena

Bajo esta etapa se enmarcan las tareas de caracterización de la antena. Estas tareas son repetidas varias veces a lo largo del semestre, dado que las primeras caracterizaciones son realizadas con conexiones que no permiten identificar la máxima sensibilidad del sensor. Adicionalmente, se usan muestras diferentes en mediciones distintas del proyecto.

7.4.3 Filtro y Rectificación

En esta etapa se montaron dos circuitos diferentes para cumplir con el objetivo de esta etapa. El primer diseño de este circuito se establece con especificaciones filtrar la señal recibida por el transductor y de realizar un filtrado de altas frecuencias, minimizando el ruido. La frecuencia de corte seleccionada para el filtro es de 300kHz. El circuito implementado, sin embargo es el rectificador mostrado.

7.4.4 Ganancia

El circuito implementado originalmente, adiciona un offset a la señal de entrada para que quede sobre los rangos de voltaje que permite el ADC. Sin embargo este offset no permite un buen escalamiento de la señal para el caso de medición de amplitud, por lo que se decide omitir esa etapa del circuito implementado. Gracias al trabajo realizado los cambios en esta etapa son mínimos. Se sugiere realizar cambios de filtrado en altas frecuencias y una nueva PCB con dimensiones más cortas.

7.4.5 CPU

En el desarrollo de esta etapa se hicieron implementaciones en código para la BeagleBoneBlack. Estos desarrollos fueron detenidos porque las especificaciones técnicas del ADC no permitían realizar una detección en fase óptima. Al cambiar de plataforma, usando FRDM-KL46Z, se pueden asegurar varios de los atributos de calidad enunciados en las especificaciones.

7.4.6 Prototipo Final

Para el uso del prototipo es necesario conectar a una fuente de alimentación de +/-15 V y un generador de señales capaz de otorgar una señal sinusoidal de 360kHz y 23.4 V pico a pico.


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Fig. 22 Prototipo Final

La descripción de uso puede ser encontrada en los protocolos de prueba del funcionamiento básico del sistema.

7.5 Trabajo computacional Para el diseño y simulación de los circuitos se usa la herramienta OrCAD Capture. Esta herramienta permite el diseño y la simulación de circuitos, usando componentes con modelos cercanos a la realidad. Adicionalmente, el uso de esta herramienta se da en el proceso de varios cursos por lo que se conoce el uso de la herramienta. Para el diseño de los circuitos impresos se usa el software KiCAD, dado que es libre y permite el desarrollo de componentes que no se encuentran diseñados. Para la producción de Software se usa el Ambiente de desarrollo provisto por Freescale, CodeWarrior Development Studio dado que tiene los recursos necesarios y personalizados para desarrollar en tarjetas diseñadas por la empresa.

8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO

8.1 Metodología de prueba ID: Tst1 Nombre: Detección estática de un elemento en área pequeña Autor: David Tavera Revisión: David Tavera Fecha última revisión: 20/06

Descripción: Esta prueba pretende verificar el funcionamiento del prototipo completo, validando que es capaz de detectar un objeto metálico y de notificar al usuario de una detección según el nivel de detección. En esta prueba el prototipo está en movimiento y la muestra está fija.

Materiales:


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- Prototipo - Muestras: Latón, Cobre, Aluminio, Fe Verde, Fe Rojo

- Caja

Ambiente de prueba: Laboratorio

Tipo de Suelo: Ninguno

Muestra: #tst: Cilindro-Materiales diversos -radio: 1.25cm long:2.5cm

Estado del prototipo: Estático – Muestra a 2 cm sobre la antena en posición concéntrica

Curso Básico de Eventos/Protocolo

Usuario Sistema: Prototipo

1.Pulsa el botón de encendido (On) 2. Realiza inicialización de I/O,

perisféricos y bloques.

3. Inicia proceso de obtención de datos 3. Mueve el prototipo alrededor de zona sin metal

4. Realiza comparación de datos/Calcula resultados

5. Cambia estado de salida para notificar al usuario

6. Finaliza proceso

7. Verifica que la salida supera umbral 8. Registra estado de la salida

9. Mueve el prototipo alrededor de zona con metal

Pasos 4-6 Entregables:

- Informe de aciertos y fallas, niveles de detección (estado de la salida)

ID: Tst2 Nombre: Detección estática de un objeto, distancia máxima

Autor: David Tavera

Revisión: David Tavera Fecha última revisión: 20/06

Descripción: Esta prueba pretende verificar el funcionamiento del prototipo completo, validando que es capaz de detectar un objeto metálico y de notificar al usuario de una detección según el nivel de detección. En esta prueba el prototipo está estático y la muestra se aleja 1 cm cada medición.

Materiales:


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- Prototipo - Muestras: Latón, Cobre, Aluminio, Fe Verde, Fe Rojo

- Caja

Ambiente de prueba: Laboratorio

Tipo de Suelo: Ninguno

Muestra: #tst: Cilindro-Materiales diversos -radio: 1.25cm long:2.5cm

Estado del prototipo: Estático – Muestra se aleja sobre la antena en posición concéntrica

Curso Básico de Eventos/Protocolo

Usuario Sistema: Prototipo

1.Pulsa el botón de encendido (On) 2. Realiza inicialización de I/O, perisféricos y

bloques.

3. Inicia proceso de obtención de datos 3. Ubica muestra en altura a determinar.

4. Realiza comparación de datos/Calcula resultados

5. Cambia estado de salida para notificar al usuario

6. Finaliza proceso

7. Verifica la salida 8. Registra estado de la salida

9. Ubica muestra en altura a determinar.

Pasos 4-6 Entregables:

- Informe con distancias de detección máxima para cada muestra

8.2 Validación de los resultados del trabajo Protocolo 1:

Protocolo 2

Fe Verde Fe Rojo Cobre Latón Aluminio

Aciertos 9 10 10 10 9

Fallas 1 0 0 0 1

Vout Vpp (V) [Vinpp= 23.4 (V), frec=360 kHz, 2cm]


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9 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO El trabajo realizado es un prototipo que permite detectar metales de 12 cm3 a dos centímetros de la superficie de la antena. Éste prototipo no incluye la batería ni los circuitos de excitación de la antena. Los circuitos analógicos de adecuación de señal son montados en su mayoría sobre tarjetas genéricas y están separados en tarjetas diferentes según la función que cumplen a lo largo del sistema. La plataforma software es montada sobre la tarjeta FRDM-KL46Z usando sistema operativo MQX Lite. La modularidad del software es asegurada con respecto a los dispositivos hardware, embebidos en la tarjeta, usados. Con respecto al desempeño, se puede identificar que la tarjeta cumple con los objetivos funcionales planteados inicialmente. Con respecto al trabajo, el plan no es seguido en su totalidad y tiene dos inconvenientes de diseño importantes para el sistema que retrasan el conjunto de tareas del proyecto. En primera instancia, a mitad del tiempo de desarrollo se cambia la plataforma embebida sobre la que se monta el prototipo y finalizando se cambia la estrategia de detección. El cambio de plataforma permite tomar muestras de frecuencias más altas de la antena, mejorando su sensibilidad y el cambio de estrategia permite identificar muestras más pequeñas. Sobre el trabajo que puede mejorar a futuro del prototipo, se puede decir que la implementación de varios bloques puede ser realizada sobre tarjetas con diseños de ruteo, para minimizar el espacio ocupado. También será necesario realizar los circuitos de excitación y alimentación, para permitir la portabilidad total del producto. Dado que el Software es modular, la adición de nuevas operaciones de análisis se puede realizar teniendo en cuenta las limitaciones de procesamiento que tienen algoritmos con operaciones de matrices sobre microcontroladores. El dispositivo funciona en la mayoría de los casos, con mejoras en la distancia máxima que se puede medir. Los objetivos son alcanzados en la siguiente medida:

Objetivo/Alcance Alcanzado Justificación Sistema Analógico de adecuación

Implementación sobre Tarjetas genéricas y PCBs

Cambio en la estrategia de solución incluyo nuevas funcionalidades para los bloques

Procesamiento en plataforma embebida

Implementación en sistema operativo, modular

Objetivo Logrado

Documentación Diagramas UML de entidades, actividades. No

El ambiente de desarrollo hace el manejo de

Fe Verde Fe Rojo Cobre Latón Aluminio

Distancia (cm) 5 5 5 6 4

Vout Vpp (V) [Vinpp= 23.4 (V), frec=360 kHz, 2cm]


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se hacen diagramas de la estructura completa del SW

interrupciones a nivel hardware transparente

Prototipo Prototipo con conexiones a fuente de alimentación y generación, empaquetados

Objetivo logrado

10 AGRADECIMIENTOS Al Ingeniero Fredy Segura por la propuesta del proyecto, los consejos recibidos y el apoyo en el diseño del sistema Al Ingeniero Alvaro Achury, por sus constantes sugerencias y sus consejos en términos de implementación Al Ingeniero Sergio Bacca, por sus enseñanzas sobre plataformas embebidas, programación en C/C++ A mis amigos y compañeros Daniel Duarte, Daniel Ardila, Andrea Rozo, por su experiencia, consejos en el desarrollo de proyectos y su apoyo incondicional A mis amigos Nicolás Camelo e Iván Homez, por sus consejos mecánicos A mi madre y mi hermano por su apoyo

11 REFERENCIAS

[1] J. Mooney, Bringing Portability to the Software Process, West Virginia University, 2013.

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[4] M. Sharawi y M. Sharawi, «Design and Implementation of a Low Cost VLF Metal Detector with Metal-Type Discrimination Capabilities,» de IEEE International Conference on Signal Processing and Communications, 2007.

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29

[8] L. Colombo, Fusión de datos de un radar de penetración de suelo y de un

detector de metal para aplicaciones de desminado humanitario, Tesis de grado, Bogotá: Universidad de Los Andes, 2007.

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[10] I. McLoughlin y A. Aendenroomer, «Linux as a teaching aid for embedded systems,» de International Conference on Parallel and Distributed Systems, 2007.

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PROYECTO FIN DE CARRERA - Uniandes

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