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SISTEMA SENSOR PARA MONITOREO DE LA CALIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA BASADO EN EL PROTOCOLO SPI

Alumno: Felipe de Jesús Arízaga Barragán Asesor de Proyecto: Dr. Luis Martín Rojas Cárdenas

Proyecto Terminal

Para la licenciatura de Ingeniería en Electrónica

UAM Iztapalapa, Junio de 2012

I Introducción

Este trabajo forma parte de un proyecto de gran alcance, en el cual se contempla el desarrollo de un sistema de monitores de diversos parámetros y señales para el Sistema de Transporte Colectivo SCT (metro). El proyecto en su totalidad está definido bajo el nombre de ”SISTEMA PARA EL CONTROL DE LA CALIDAD DEL SERVICIO Y LA SEGURIDAD EN LA CIRCULACIÓN DE TRENES DEL SISTEMA DE TRANSPORTE COLECTIVO”, es impulsado por el Conacyt junto con el gobierno del Distrito Federal, está siendo desarrollado en la UAM Iztapalapa con la colaboración de diversos participantes de todos los niveles académicos, adscritos al departamento de Ingeniería Eléctrica en la división de Ciencias Básicas e Ingenierías de esta universidad. Este impulso se da por la necesidad existente en el país de desarrollar e implementar tecnología propia, en lugar de ser adquirida en el extranjero como es lo habitual. Un suceso que es de suma importancia en esta época, donde los avances tecnológicos marcan la pauta para el desarrollo de cualquier nación. Con ese lineamiento, se Implementó un sistema sensor de corriente trifásica el cual es capaz de medir los diferentes parámetros implícitos en una señal eléctrica. Para lograr este proceso se requirió de un sistema que consta de varias etapas, encargadas de adquirir, transformar y de procesar la señal a ser medida, y por consiguiente, devolver y desplegar un dato coherente que representa el valor de la corriente, el voltaje, y por lo tanto, la potencia de la señal análoga a medir, en este caso, una corriente trifásica, es decir energía eléctrica formada por tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud, y por consiguiente, con un mismo valor eficaz y con una diferencia de fase entre ellas de . Los principales componentes utilizados en la implementación del sistema basan su interacción en el protocolo SPI (Serial Periferical Interfase), el cual permite el control de diversos dispositivos periféricos utilizando un solo puerto. Otro de los objetivos de este proyecto es el adquirir un conocimiento profundo de los sistemas con micro-controladores RABBIT, cuya potencia y versatilidad se espera utilizar en el núcleo del sistema para la detección de liberación intempestiva de circuitos de vía. De esta manera, el micro-controlador RABBIT es el encargado del control de los

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periféricos vía SPI y la etapa de procesamiento de datos, lo cual comprende el desarrollo de tecnología novedosa, así como la generación de conocimiento, necesario para ser empleado en nuevas aplicaciones, dadas las necesidades que se pudieran presentar en el marco del proyecto general antes mencionado, o en otros por venir.

II Monitoreo de señales (estado del conocimiento) Un medidor de electricidad o de energía es un dispositivo que se encarga de medir una cantidad de energía eléctrica consumida por una residencia, negocio, industria, o cualquier dispositivo que consuma electricidad para funcionar. Los medidores de energía típicamente están calibrados en unidades de facturación, la unidad de medida utilizada comúnmente es el kilowatt-hora. Así, lecturas periódicas en el medidor establecen o generan una relación entre la cantidad de energía utilizada y un cierto lapso de tiempo, con el fin de establecer un método con el cual es posible aplicar un costo al consumo de energía eléctrica.

II. 1 Un poco de historia El primer medidor kilowatt-hora de corriente alterna (AC) fue producido con base en la patente del Húngaro Ottó Bláthy en 1889 con el nombre de Blathymetro. Los vatímetros producidos actualmente operan bajo el mismo principio. El medidor electromecánico utiliza dos juegos de bobinas que producen campos magnéticos; estos campos actúan sobre un disco conductor magnético en donde se producen corrientes parásitas. La acción de las corrientes parásitas producidas por las bobinas de corriente sobre el campo magnético de las bobinas de voltaje y la acción de las corrientes parásitas producidas por las bobinas de voltaje sobre el campo magnético de las bobinas de corriente dan un resultado vectorial tal, que produce un par de giro sobre el disco. El par de giro es proporcional a la potencia consumida por el circuito. En 1894 La “Westihouse Electric Corporation” aplicó el principio de inducción previamente utilizado para producir un vatímetro utilizando un método electromecánico más moderno, utilizando un disco rotacional con una velocidad de rotación proporcional a la potencia en el circuito.

II.2 Tipos de medidores Los medidores de energía eléctrica operan muestreando continuamente el voltaje y la corriente instantánea, al calcular su producto obtiene el valor de la potencia eléctrica instantánea (watts), al ser integrada esta potencia en un determinado intervalo de tiempo se obtiene el valor de la energía (joules, kilowatt-hora, etc.). -Medidores Electromecánicos Los medidores electromecánicos de inducción operan bajo la revolución continua de un disco de aluminio el cual gira impulsado por dos bobinas. Una bobina está conectada de tal manera que genera un flujo magnético proporcional al voltaje medido y la otra bobina produce un flujo magnético proporcional a la corriente produciendo así “ciorrientes de Eddy” que generan una fuerza de rotación en el disco, propiciando de esta manera el efecto mecánico que hace operar al medidor.

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-Medidores Electrónicos Medidores en los cuales la corriente y la tensión actúan sobre elementos de estado sólido (Electrónicos) para producir pulsos de salida y cuya frecuencia es proporcional a los Vatios-hora ó Var-hora. Están construidos con dispositivos electrónicos, generalmente son de mayor precisión que los. Para desplegar la información generada al efectuar sus lecturas se valen de pantallas de cristal líquido LCD y existen algunos que pueden transmitir estos datos a sitios remotos y registrar o grabar lecturas generadas durante periodos de tiempo determinados. En la actualidad existen en el mercado un sinnúmero de dispositivos electrónicos utilizados para la medición de energía trifásica, esto se debe a la alta demanda de este tipo de dispositivos en la industria.

Fig.1 Medidor de energía eléctrica basado en MCU simplificado [1]

A continuación se presentan algunos ejemplos de medidores de corriente trifásica que están disponibles actualmente en el mercado junto con una breve descripción del producto.

IMAGEN PRODUCTO PAIS DE ORIGEN DESCRIPCIÓN

Medidor de energía trifásica multipropósito YONY

Zhejiang, China conversión Análoga digital de alta velocidad

multifunción

Comunicación RS485 e interface infrarroja

Intervalos de cuatro tiempos

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Medidor electrónico de energía trifásica de cuatro terminales WUHAN

Hubei, China Alta confiabilidad, bajo consumo, larga vida, multifunción

Muestreo de cada fase

Comunicación: RS485/ interface infrarroja

Función de reloj

Medidor infrarrojo

Medidor electrónico de energía trifásica N40 SODE

Zhejiang, China Medición de energía

CE,3C

Comunicación RS485, se le pueden añadir módulos externos vía plug

Memoria

Medidor de potencia trifásica digital PCM 180 KINGSINE

China Visualización LED de alta luminosidad

microprocesador de baja potencia

interface de salida análoga/digital para diferentes necesidades

Comunicación RS485

Integrable en sistemas de distribución inteligentes

III Un sistema para el monitoreo de señales eléctricas III.1 Descripción del sistema El desarrollo de este sistema sensor de corriente trifásica se centra en la utilización del microprocesador Rabbit. En este caso se hará uso el µP Rabbit 5000 montado en el Rabbit MiniCore RCM5700, que es un módulo compacto de tipo PCI Express con funcionalidad Ethernet 10/100Base-T integrada y 128KB de SRAM, el cual será utilizado para el control del sistema en desarrollo, así como parte del procesamiento de la señal. El RCM5700 incluye además una memoria flash de 1MB. El Rabbit 5000 es un microprocesador de alto rendimiento con baja interferencia electromagnética, “electo-magnetic interference” (EMI), operando con una velocidad de hasta 50 MHz. Está específicamente diseñado para control embebido, comunicaciones y conectividad en redes. Con una amplia variedad de características que facilitan

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el diseño de hardware, mientras que un set de instrucciones basadas en lenguaje de programación C, facilitan el desarrollo de hasta las aplicaciones más complejas. [6] El Rabbit 5000 tiene una arquitectura con un bus interno de 16 bits y provee un rendimiento significativo cuando es utilizado con algún dispositivo de memoria externa de 16 bits. Además de que soporta el uso dispositivos de memoria de 8 bits. Cuenta con I/O líneas compartidas de hasta seis puertos seriales y cuatro niveles de funciones alternas de pin que incluyen PWM y un bus externo I/O, decodificador de cuadratura y captura de entrada. El Kit de desarrollo contiene una interface con conexiones USB y Ethernet y un conector de 52 terminales.[6] Otro componente esencial en le en el modelo aquí propuesto es el MCP3903, el cual es un dispositivo dedicado para medición de energía, integrado en un CI, con interfaz SPI y salida de pulso activo de potencia, con acceso serial simultáneo a canales ADC y multiplicador del dato de salida. Suministra una salida de frecuencia proporcional a la potencia activa promedio real, con accesos simultáneos a los canales ADC. Esta salida en forma de onda puede ser de hasta 14 kHz con salida ADC de 16-bits y un multiplicador de palabras de salida de 20-bits. La figura siguiente muestra un diagrama a bloques de todo el sistema.

Fig.2 Diagrama a Bloques del sistema para el monitoreo de la calidad de la corriente eléctrica

III.2 Sensores Para lograr un sistema con estas características se utilizaron tres subsistemas idénticos en la etapa que censa, transforma y procesa la señal tomada de la corriente a medir. Cada uno de estos sistemas corresponde a cada una de las tres fases antes mencionadas. A partir de aquí las tres fases en cuestión serán designadas como fases A,B y C. Para mostrar cómo funciona cada una de estas etapas, a continuación se describe solo una de las tres partes del módulo que se encarga de medir e iniciar el procesamiento de la señal de una de las tres fases, la línea de la fase A, sabiendo que las otras dos partes en esta etapa que corresponden a las otras dos fases (líneas de las fases B y C) son iguales y funcionan de la misma manera. Posteriormente se hará una descripción global del funcionamiento en conjunto de toda esta etapa del sistema.

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Por seguridad, transformadores de corriente son utilizados entre las señales de corriente y voltaje de entrada y el modulo que procesa las muestras para aislar al sistema del suministro de potencia trifásico. El transformador utilizado para la línea de voltaje es un transformador 1:1 el propuesto inicialmente es el “SPT204B” de Beijing Singure Measurement & control technology Co., con una no-linearidad menor al 0. 1% y un estimado de corriente de entrada/salida de 2 mA/ 2 mA. El transformador necesario para transformar la corriente de entrada, debe tener un estimado de transformación de corriente entrada/salida de 20 A/2 mA, con una no-linearidad de 0.1% y un rango lineal de 0-20 A. El propuesto inicialmente es el “SPT254FK” de Yhehua Shangai. Utilizando como ejemplo inicial la línea para la fase A, durante el recorrido de la señal de corriente, una resistencia R1=150 kΩ es utilizada antes del transformador de corriente (CT) para transformar la señal a una corriente apropiada. Después del CT, son necesarias dos resistencias de carga R125 y R126 para transformar la señal de corriente a una señal de voltaje diferenciado para después ser muestreada por el dispositivo MCP3909. Las señales son conectadas al puerto de entrada del MCP3909 via R110 y R111. C111, C112 serán utilizados para filtrar señales de alta frecuencia.

Fig.3 Circuito para la señal de entrada de la fase A [3]

Utilizando la misma fase A como ejemplo para el recorrido de la señal de corriente, la transformación de la señal de corriente es similar a la transformación de la señal de voltaje. Las Resistencias de carga R125/R126 y R116/R117 deben ser de 20 Ω para el canal de corriente y 100 Ω para el voltaje después de considerar los siguientes tres factores:

El rango para la entrada de voltaje diferenciado del MCP3909 es de 1V para el canal de voltaje y 0.7505Vpara el canal de corriente.

Los máximos corriente/voltaje permitidos para el medidor son. Una corriente estimada en 5ª con un máximo de 20ª, y un voltaje máximo de 300V.

El radio de transformación para cada uno de los transformadores de corriente y de voltaje.

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Otra opción a la hora de implementar el canal de voltaje es la de aplicar un divisor de voltaje Cada fase utilizara un divisor de voltaje en el canal de voltaje de entrada. El canal de voltaje de entrada utiliza resistencias de 221 kΩ para alcanzar un divisor con un radio de 453:1. Para una línea de voltaje de 230 VRMS, El rango de la señal de entrada A tendría que ser de 718 mVPICO. Las disposiciones antes propuestas se refieren al canal de entrada para la fase A, pero como se comentó anteriormente, los canales para las fases B y C tienen la misma configuración. Para lograr un muestreo (digitalización de la señal) simultáneo de las tres fases, cada uno de los tres dispositivos MCP3909 se deben ser conectados a un mismo reloj para ser temporizados simultáneamente. Para este caso, la señal del reloj provendrá del microprocesador Rabbit 5000. En cada caso el número de muestras por ciclo es de 128. Es necesario genera r un número entero de muestras para cada línea de frecuencias, ya sean de 50 Hz o de 60 Hz.

Fig.4 Circuito (alterno) para la señal de entrada de la fase A. [2]

III.3 Los convertidores a/d delta sigma de 16 bits Los ADCs incluidos en el MCP3909 para el muestreo de los canales de corriente y voltaje son convertidores análogo-digital (ADC) del tipo delta-sigma, cada uno de los cuales comprenden un modulador delta-sigma que contiene un convertidor digital-analógico (DAC) multi-bit y un filtro SINC de tercer orden. La arquitectura delta-sigma es muy apropiada para las aplicaciones que necesitan del dispositivo MCP3909 debido a que es una arquitectura orientada a la conversión de señales en forma de onda. Esta arquitectura ofrece un desempeño de alta linealidad y bajo nivel de ruido a lo largo de un gran rango dinámico de entrada. La arquitectura multi-bit utilizada en el ADC minimiza el ruido de cuantificación a la salida de los convertidores sin perturbar la linealidad. Ambos ADCs contenidos en un MCP3909 tienen una resolución de 16 bits, permitiendo así gran rango dinámico de detección. La proporción de sobre-muestreo de ambos convertidores es de 64. Ambos convertidores están muestreando continuamente durante el modo normal de operación.

Cuando el canal está en “bajo” ambos convertidores se encuentran en re inicialización o “reset”. En ese punto el código e salida es 0x0000h. si el voltaje en las entradas del de los ADCs es

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mayor a la del rango especificado, se pierde la linealidad, de cualquier manera los convertidores continúan produciendo una serie de datos de salida con valores máximos o mínimos, hasta donte encuentra su punto se saturación. El punto de saturación en DC es alrededor de 700 mV para el canal de entrada 0 “channel 0”, y 1 V para el canal de entrada 1 “channel1”, usando el voltaje interno de referencia. El dato de salida es fijado en un valor máximo al pasar al punto de saturación. La señal de reloj que controla a los ADC’s son distribuidas por igual entre los dos canales para así minimizar los retardos de fase a un tiempo menor al un periodo del MCKL. Los filtros SINC se posicionan a MCLK/256, por ejemplo a 14 KHz, cuando MCLK=3.58 MHz, permitiendo al usuario de muestrear un gran contenido de armónicos en cada canal. Las señales “data ready” utilizadas para la parte de sincronización con el micro controlador MCU, o micro procesador MPU, como es el caso, se presentan a un ritmo de MCKL/256 y es necesario que se presenten tres señales “data ready” consecutivas para que se establezca el filtro digital SINC de tercer orden. La respuesta en magnitud sel filtro SINC se muestra en la siguiente figura.

Fig.5 Respuesta en magnitud del filtro SINC con MCLK=3.58 MHz [1]

III.4 Voltaje de referencia ultra-low drift VREF El MCP3909 contiene una fuente de voltaje de referencia interna diseñada especialmente para minimizar desajustes debido a cambios de temperatura. Este VREF interno suministra el voltaje de referencia requerido por los canales de corriente y voltaje de los ADCs. El valor típico de este voltaje es de 2.4 V 100 mV.

III.5 Descripción de la interfaz spi El dispositivo MCP3909 contiene tres configuraciones para modo serial. Estas configuraciones son

accesibles al cambiar la funcionalidad en los pines NEG, F2, F1 y F0 a SDO, SCK, SDI y respectivamente. Los distintos modos son establecidos la entregarle al MCP3909 un comando serial, utilizando estas mismas terminales durante un lapso o ventana de tiempo, después de que el dispositivo ha sido reinicializado o POR (power on reset). Durante esta ventana de tiempo F2 actúa como SCK, F1

actúa como SDI y F0 actúa como . Una vez que el modo serial ha sido establecido el dispositivo tiene que ser reinicializado si es que se quiere deshabilitar el modo en que está funcionando o cambiar a otro modo serial. Esto es posible al utilizar la terminal MCLR o que se presente un POR.

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Cuando es generado el comando para elegir el modo de operación, así como, cuando el dispositivo ya se encuentra operando en cualquiera de los tres modos en que puede ser configurado, cada elemento del dato en forma de bit marcha dentro del dispositivo en sincronía con el reloj, a la par del borde naciente del pulso SCK, y en la salida del dispositivo, el dato es entregado en sincronía con el borde que cae en el pulso SCK. Los datos SPI puede ser procesados con una velocidad de hasta 20 MHz. Esta velocidad permite una rápida recuperación de datos entre tiempos de conversión. Para aplicaciones en la medición de energía trifásica con múltiples ADCs, esta rápida comunicación es esencial para permitir lapsos de cálculo de potencia entre conversiones, como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 6 Acceso de los datos entre los pulsos “data ready” utilizando la interfaz SPI para un sistema trifásico. [1]

Fig.7 Función de las terminales en modo de protocolo SPI. [1]

III.6 Configuración de los distintos modos de operación spi El MCP3909 posee tres distintos modos de operación SPI donde los datos son manejados en codificación complemento a 2, estos modos son:

Salida multiplicada “Multiplier Output”

Salida dual “Dual Channel Output”

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Entrada filtrada “Filter Input” Cuando el dispositivo ha sido configurado en cualquiera de los tres modos, el bloque e cálculo de potencia activa sigue funcionando y presenta pulsos en FOUT0, FOUT1 y HFOUT. Por esta razón la constante de frecuencia puede ser cambiada con múltiples códigos de entrada de comando al ingresar en un modo serial. Los bytes de comando establecidos para entrar en los distintos modos de operación se presentan en la siguiente Tabla.

Tabla 1: CÓDIGOS DE ENTRADA [1]

Modo salida multiplicada El modo de salida multiplicada permite al usuario el obtener el dato que entrega el multiplicador incluido en el MCP3909. El dato se presenta en una palabra de 20 bits (19 bits + signo), donde el bit más significativo se presenta primero. Una bandera “data ready” (DR) es activada cada MCLK/256 ciclos de reloj y un nuevo valor de salida multiplicado está listo. Si el valor que entrega el multiplicador no es sincronizado con el reloj para ser entregado fuera del dispositivo, este será sobrescrito. Los datos salen en sincronía con el borde naciente del SCK.

Modo dual Este modo permite al usuario obtener información individual de las salidas de los ADCs. Las salidas de los ADCs de ambos canales (corriente y voltaje) se sincronizan simultáneamente y el pulso de dato listo o “data ready” está dado por el pulso DR en la terminal SDO. Si los valores de salida no son empujados a la salida del dispositivo por medio de la sincronía con el reloj SCK, estos son sobre escritos. En otro caso se entrega una palabra de 32 bits donde cada uno de los canales es representado por 16 bits (15 bits + signo). El dato es representado en codificación complemento a 2. El dato proveniente del canal 1 se presenta primero y a continuación El dato del canal 2 Una bandera (DR) se presenta cada MCLK /256 ciclos de reloj y un nuevo valor de salida es alistado. Las fórmulas que se presentan a continuación representan la relación que hay entre los voltajes análogos en la entrada de ambos canales y sus representaciones digitales dadas en proporción, y codificadas como palabra de salida. El código es fijado al alcanzar +32767 por el lado positivo y en -

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32768 por el lado negativo. Estas formulas son proporcionadas por el proveedor del MCP3909 en la hoja de datos dl dispositivo.

(1)

(2)

Ecuaciones 1 y 2 [1]

Tabla 2: CODIFICCION EN EL MODO DUAL [1]

III.7 Controlando el mcp3909 con el puerto spi del micro procesador rabbit Dado el protocolo SPI, es necesario el enviar grupos o paquetes de 8 bits. También se requiere que el puerto SPI del micro-procesador sea configurado de tal manera que los datos de salida sean sincronizados con el borde descendente de la señal del SCK y los cambios de estado (latch) donde el tren de datos avanza se deben sincronizar con el borde naciente de la señal SCK, o viceversa según el modo seleccionado. La siguiente tabla muestra la terminología estándar en modo SPI, las respectivas configuraciones para el micro procesador o micro controlador y una descripción de compatibilidad con el MCP3909, el cual funciona con el modo SPI 0,1, donde los datos de salida están en sincronía con el borde que nace, y entran en sincronía con el borde descendente del SCK.

Tabla 3: Los cuatro distintos modos en el estándar SPI para el manejo del reloj [1]

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IV Procesamiento de la señal El rango de conversión del MCP3909 está determinado por la frecuencia del reloj maestro, MCLK, y la tasa es de MCLK/256. Cada vez que una conversión es completada una señal “DataReady” de 4-clk de longitud es generada por el SDO del MCP3909, permitiendo que el microprocesador reciba el dato. Cuando el MCP3909 saca un dato primeramente envía el resultado ADC del canal de voltaje, después el de canal de corriente con el MSB primero. Los tres dispositivos MCP3909 utilizan el mismo reloj y señal de “reset”. Solo una señal “Data Ready” (SDO) de cada uno de los dispositivos es requerida para leer el dato A/D de las tres fases en turno.

IV.1 Inicializando y configurando el MCP3909 en modo de operación. La tarea de este modulo es habilitar al MCP3909 para entraren el modo de “canal de salida”. Este diseño los canales de voltaje y corriente muestreados por el ADC son enviados por medio de la interface SPI interna. El Voltaje RMS, la corriente RMS, la potencia activa, la potencia aparente, y el pulso de la salida de calibración son calculados a través del siguiente proceso descrito en la siguiente figura, se muestran los registros de calibración, así como los registros de salida.

Fig.8 Flujo de la señal (fase A) [2]

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Aunque el diagrama mostrado en la fig.4 está especificado para la implementación del medidor con el PIC18F2520. Nos sirve para ejemplificar como pueden ser utilizados los registros en cualquier dispositivo micro controlador. La idea en este punto es utilizar el Rabbit para unificar las tres señales obtenidas desde los convertidores y procesar los datos de manera que sea posible obtener datos que representan las mediciones de voltaje y corriente, partiendo de un diseño similar al establecido hasta ahora.

IV.2 Sistemas trifásicos En virtud de su construcción, donde es requerida una línea conductora para cada fase, compartiendo una línea de tierra en común, los sistemas trifásicos son significativamente más económicos que los sistemas monofásicos para la transmisión de energía eléctrica. Además los sistemas trifásicos facilitan la generación de torque en máquinas que trabajan con corriente alterna (c. a.). La fuente balanceada trifásica de la figura anterior tiene voltajes de fase instantáneos en referencia con la línea neutra de:

Con

Y la representación en términos de fasores r.m.s es:

y

La relación entre estos tres fasores es como la mostrada en la figura anterior. Si esta fuente es conectada a una carga balanceada las corrientes correspondientes formarán un conjunto balanceado representado por:

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O bien

En una carga trifásica balanceada cada fase se presenta con una impedancia idéntica. En general un sistema trifásico no está definido por el voltaje se cada fase, sino por el voltaje entre cada par de líneas (voltajes de línea) , de tal manera haciendo referencia a la figura anterior (a)

La relación entre los fasores de voltaje de línea es como se muestra en la figura anterior (b) de la que se puede ver que los voltajes de línea, además forman un conjunto balanceado, con v1, el voltaje en la fase 1, como referencia:

Donde

En términos de los fasores r.m.s., con la fase 1 como referencia, tenemos:

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IV.3 Potencia en un sistema trifásico balanceado La potencia instantánea en un sistema trifásico balanceado es igual a la suma de las tres potencias instantáneas en cada una de las fases, de tal manera que:

Así la potencia promedio sobre un ciclo es de

Donde Ip y Vp=son los valores r.m.s. de la corriente y voltaje de fase respectivamente, mientras que

es el ángulo de fase de la impedancia en la carga, y es por lo tanto, el ángulo entre los correspondientes pares existentes de corriente de fase y voltaje de fase. Alternativamente:

Donde es la parte real de la suma de las cantidades complejas

, etc. En una carga trifásica balanceada las impedancias individuales que hacen la carga, tienen cada una la misma magnitud y el mismo ángulo.

IV.4 Carga balanceada de cuatro puntas en estrella En la estrella balanceada de cuatro cables mostrada en la figura siguiente, las impedancias en cada punta de la carga son idénticas, esto se da mientras que se presente un voltaje apropiado a través de cada carga asociada. La corriente de línea (I1) es la misma que la corriente de fase (Ip) mientras que el voltaje de fase se presenta a través de las distintas impedancias.

Fig.9 Carga balanceada en estrella [9]

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La relación entre las corrientes y voltajes de fase individuales en una estrella de cuatro puntas con carga es:

Tomando en cuenta esas tres corrientes en el sistema balanceado, la otra corriente que fluye en la línea o cable neutral es:

La potencia total en la carga es:

Además, ya que , y que , tenemos que:

Donde el ángulo en la ecuación (17) es el ángulo de la impedancia de fase en la carga (ZY| ) y no es el ángulo entre el voltaje (V1) y la corriente (I1).

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V Desarrollo/Planificación

V.1.1 Despliegue de datos en pantalla. Para el desarrollo de esta etapa se planea utilizar un display LCD DOGM de 128x64 puntos de resolución que trabaja con una interface SPI con luz trasera “Backlit”. Y será controlada vía puerto SPI de cuatro terminales, por medio del CPU. El diagrama para conexión de la pantalla se muestra a continuación.

Fig.10 Diagrama para la implementación física de la pantalla LCD [12]

La pantalla DOGM128 está equipada con un controlador ST7565. La tensión de alimentación de 3,3 V, la transferencia de datos es a través de una serie de 4 terminales de interfaz SPI. Es necesario el uso de la CS-pin para escribir a la pantalla, el CS es responsable de la sincronización de los datos de registro interno. Esto evita los problemas causados por los picos externos o EMI o al perder un ciclo de reloj. Los datos deben ser enviados a la pantalla con el bit más significativo (MSB) en primer lugar. Con un micro controlador que tenga integrada una interfaz SPI. La transferencia de datos se hará en el flanco de subida del SCL. El pin A0 es necesario para separar los datos de control y visualización de datos. Cuando el pin A0 está en posición baja: los datos que se transfieren son los datos de control como la inicialización de la página y cambiar la columna. Cuando el pin A0 está en posición alta: los datos que se transfieren datos de escritura que serán desplegados en pantalla. Nota: Datos de la pantalla permanecen almacenados en la memoria de la pantalla interna, siempre y cuando se sobrescriben o la tensión de alimentación está apagado. En la siguiente tabla se muestra la relación entre los datos de visualización en la memoria RAM y los pixeles que son desplegados en pantalla. La pantalla tiene 128 columnas verticales (0-127) y 8 páginas horizontales (columnas). Cada página cuenta con 8 líneas D0 a D7. Esto significa que siempre 8 píxeles en la orientación vertical se representan por un byte. Por lo tanto el tamaño de la memoria de la exhibición de datos es 128x8 = 1024 bytes.

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Tabla 4: Relación entre los datos de despliegue en Memoria y pixeles que son desplegados

Column0 Column1 Column2 Column3 ..…. ..…. …... Column

126 Column 127

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A continuación se muestra la secuencia de inicialización de pantalla utilizada para configurar la pantalla. 1. la terminal RESET debe estar en alto 2. La señal CS se debe establecer en posición baja (se puede escribir en la pantalla, búfer de pantalla de entrada está desactivada). 3. La señal A0 se debe establecer en baja (la pantalla está preparada para recibir los datos del comando). 4. Pantalla de inicialización del software. Hay que tomar en cuenta que los comandos de inicialización se dan en función de esquema requerido. La siguiente configuración de inicio fue realizada para la operación de suministro individual con +3,3 V:

4.1 Enviar 40 Hex a la pantalla: línea de salida de pantalla = 0 4.2 Enviar A1 Hex a la pantalla: invertir ADC 4.3 Enviar C0 Hex de la pantalla: COM0 - COM63 en el modo de exploración normal 4.4 Enviar A6 Hex a la pantalla: la pantalla normal, no se reflejó 4.5 Enviar A2 Hex de la pantalla: el sesgo de Set 1.9 (Duty 1 / 65) 4.6 Enviar 2F Hex de la pantalla: el regulador de refuerzo, y seguidor de 4.7 Enviar F8 Hex de la pantalla: grupo de presión interna a 4x

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4.8 Enviar 00 Hex a la pantalla: grupo de presión interna a 4x 4.9 Enviar 27 Hex a la pantalla: juego de contraste 4.10 Enviar 81 Hex a la pantalla: juego de contraste 4.11 Enviar 16 Hex a la pantalla: juego de contraste 4.12 Enviar AC Hex de la pantalla: No hay indicador 4.13 Enviar 00 Hex a la pantalla: No hay indicador 4.14 Enviar AF Hex a la pantalla: No hay indicador

5. Fin de la inicialización de establecer el CS-pin a alto otra vez

V.1.2 Escritura de datos visibles a la pantalla 1. Inicializar la pantalla como se describió anteriormente. 2. poner CS-pin en posición baja (listo para escribir en la pantalla). 3. poner A0-pin en posición alta (para escribir datos en pantalla). 4. escribir por un dato de un Byte enviándolo del dispositivo fuente vía puerto SPI (después de los datos se escriben, el cursor columna se incrementa automáticamente por 1). 5. poner CS-pin en posición alta (la pantalla ya no está seleccionada). Cambiar a otra posición en la memoria RAM de exhibición; nueva página 1. CS-pin en posición baja (listo para escribir en la pantalla). 2. A0- pin en posición baja (para el envío de datos del comando). 3. escribir por ejemplo, la dirección de la nueva columna. 4. poner A0-pin en posición alta (listo para recibir datos de la exhibición). 5. poner CS-pin en posición alta (la pantalla ya no está seleccionada). Cambiar a otra posición en la memoria RAM de exhibición; nueva columna 1. CS-pin en posición baja (seleccione la pantalla y sincronizar el contador de bits internos). 2. A0- pin en posición baja (para datos del comando de escritura). 3. El siguiente es un comando de dos bytes (dirección de conjunto de columnas). 3.1 Escribe por ejemplo, hexagonal de 14 a la pantalla (4 bits más significativos). 3.2 Escribe por ejemplo, hexagonal de 00 a la pantalla (al menos 4 bits significativos). A continuación los datos de pantalla se pueden escribir en la columna 64. 4. poner A0-pin en posición alta (listo para recibir datos de la exhibición). 5. poner CS-pin en posición alta (la pantalla ya no está seleccionada).

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V.2 Programación del Rabbit

Uso del puerto serial SPI del Rabbit La interfaz de periféricos serial (SPI) está formada por cuatro líneas para comunicación full-duplex en serie síncrona de enlace de datos. El SPI fue desarrollado originalmente por Motorola. El SPI consiste en registros de cambio que transmiten y pueden recibir datos en forma serial simultáneamente. Para la establecer una comunicación serie que tendrá lugar dentro de un sistema basado en SPI, un dispositivo debe actuar como un maestro y otros o por lo menos un dispositivo tendrá que actuar como esclavos. En esta forma de comunicación, el dispositivo maestro controla la generación de reloj y el flujo de datos, mientras que las unidades esclavas realizan el intercambio de datos de entrada y salida en forma serial. Hay que tomar en cuenta que mientras un dispositivo maestro puede transmitir datos a varios esclavos, sólo un esclavo puede transmitir datos de regreso al maestro por vez.

Señales I/O SPI Normalmente hay cuatro señales I/O asociadas a las transferencias de SPI. Motorola se refiere a ellas como: pulsos del reloj (SCK), Maestro salida, esclavo entrada (MoSI), Maestro entrada, esclavo salida (MISO), y selección de esclavo (SS). La tabla siguiente muestra la correspondencia entre el estándar de Motorola y las señales SPI del Rabbit.

Tabla 5: Correspondencia de las señales SPI entre Motorola y Rabbit [7]

Las funciones de la señal SCK pueden ser diferentes dependiendo de si el procesador se configura como maestro o como esclavo. Para lograr la sincronización de datos de comunicación entre un maestro y un esclavo, el maestro SPI genera automáticamente ocho ciclos de reloj cada vez que inicia una transferencia. La operación lectura / escritura se lleva a lugar dentro del mismo ciclo de reloj, tanto en el maestro y los dispositivos esclavos. El SPI de Motorola proporciona apoyo a una polaridad borde configurable por el usuario reloj y la fase del reloj para dar cabida a diversas transferencias SPI. El Rabbit 5000 soporta todos los cuatro formatos de transmisión de Motorola.

21

Fig.11 Diagrama de uso de tiempo en modo SPI para el Rabbit [7]

El Rabbit es capaz de operar ya sea como un maestro o un esclavo en el modo SPI. Como dispositivo maestro, el Rabbit proporciona el reloj serial e inicia la transmisión de datos para la comunicación SPI, cuando el Rabbit es utilizado como un esclavo, la señal del reloj es una entrada al Rabbit, y los datos se desplazan dentro y fuera de la Rabbit por el maestro. Independientemente de que se utiliza como maestro o como esclavo, los datos se transmiten en el flanco de bajada del reloj, y los datos recibidos se muestra en el flanco de subida del reloj.

Fig. 12 Sistema Full-Duplex Maestro/esclavo Basado en el protocolo SPI [7]

Un driver de SPI ha sido incluido en Dynamic C a partir de la versión 7.05. La biblioteca SPI.LIB en el \ lib \ SPI implementa el controlador. El controlador realiza las tareas necesarias descritas anteriormente. Los comentarios en el código fuente de la biblioteca SPI.LIB proporcionan detalles adicionales sobre el driver. Las siguientes funciones API están incluidas en la biblioteca SPI.LIB.

- SPIinit () - inicializa los parámetros del puerto SPI para una interfaz en serie. - SPIwrite () - escribe un bloque de bytes en el puerto SPI.

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- SPIread () - lee un bloque de bytes desde el puerto SPI. - SPIWrRd () - lee y escribe un bloque de bytes desde / hasta el puerto SPI.

Generación de reloj Para lograr un muestreo simultáneo a través de las tres fases, los tres dispositivos MCP3909 deben usar la misma fuente de reloj. En ésta configuración los seis delta-sigma ADC’s han sido controlados por un mismo reloj simultáneamente. La fuente del reloj MCLK en este caso es un pin del puerto E del RABBIT configurado como reloj (timer) o pulso de salida. El reloj puede proporcionar una frecuencia MCLK apropiada de 39.3216Mhz, Lo cual generará un número entero de muestras al realizar mediciones en una línea con frecuencias de 50 Hz ó 60 Hz.

Fig. 13 Estructura en el manejo del reloj MCLK en el sistema [2]

V.3 Circuitería para el suministro de poder para el sistema El diseño final cuenta con una etapa de suministro de potencia la cual toma de la misma señal que se está midiendo un voltaje que luego será transformado para hacer al sistema autosuficiente. La circuitería para el medidor de energía trifásica basado en el dispositivo MCP3909 utiliza tres transformadores de voltaje, para así convertir los 220V pico del la línea que está siendo medida en un voltaje regulado a 5 V DC, limitando el suministro de potencia para la alimentación del sistema a 2W como máximo, que es el rango especificado por los estándares IEC62053 e IEC61036 establecido para el diseño equipo empleado en la industria para la medición de energía eléctrica en E. U., donde se establece que el medidor de energía debe ser capaz de operar tomando cualquiera de las tres fases con un 70% de su voltaje nominal.

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VI Resultados Los diagramas que se muestran a continuación representan el diseño final del sistema representado en diagramas esquemáticos de Hardware. Posteriormente dentro de esta misma sección se describe la parte de código o Software de control en su versión más reciente, hasta la creación de este reporte. El primer diagrama esquemático que se muestra en esta sección describe el diseño final de la etapa que se encarga de sensar tanto la corriente como el voltaje de la señal a medir. Esta etapa incluye los tres dispositivos MCP3909 encargados de digitalizar la señal análoga de entrada que es proporcional a la señal a medir. El funcionamiento de estos dispositivos fue ampliamente descrito en el capítulo III.

DGND 21

HFOUT 22

DVDD 1

REFIN/OUT 10

NC 19 NC 4 AVDD 3

CH1+ 8 CH1- 7 CH0+ 5 CH0- 6

CLKOUT 18 CLKIN 17 AGND 11

MCLR 9

F0/CS 14 F1/SDI 13 G0 16 G1 15 F2/SCK 12

HPF 2

NEG/SDO 20

FOUT0 24 FOUT1 23

U3

MCP3909-I/SS

GND 100nF C15 Cap 100nF

C14 Cap

100nF C13 Cap

300Vrms V2 Var

10nF C11 Cap

GND GND 1K R18 Res1

1K R19 Res1

+5V +5V

1K R20 Res1

MCLR

G0 G1 SCK SDI CS B

SDO

GND CLKIN

1K R17 Res1

68nF C10 Cap

1K R15 Res1 220K

R13 Res1

2K R14 Res1

GND GND

220K R12 Res1

0 Ohm R11 Res3

GND

1 2 3 4 5 P2

Header 5

100pF C12 Cap

1K R16 Res1

GND

PRI_PHB_L

DGND 21

HFOUT 22

DVDD 1

REFIN/OUT 10

NC 19 NC 4 AVDD 3

CH1+ 8 CH1- 7 CH0+ 5 CH0- 6

CLKOUT 18 CLKIN 17 AGND 11

MCLR 9

F0/CS 14 F1/SDI 13 G0 16 G1 15 F2/SCK 12

HPF 2

NEG/SDO 20

FOUT0 24 FOUT1 23

U1

MCP3909-I/SS

GND 100nF C6 Cap 100nF

C5 Cap

100nF C4 Cap

300Vrms V1 Var

10nF C2 Cap

GND GND 1K R8 Res1

1K R9 Res1

+5V +5V

1K R10 Res1

MCLR

G0 G1 SCK SDI CS A

SDO

1K R7 Res1

GND CLKIN

68nF C1 Cap

1K R5 Res1 220K

R3 Res1

2K R4 Res1

GND GND

220K R2 Res1

0 Ohm R1 Res3

GND

1 2 3 4 5 P1

Header 5

100pF C3 Cap

1K R6 Res1

GND

PRI_PHA_L

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Fig.14 Diagrama esquemático de la etapa de sensores: conversión análoga/digital

La etapa encargada de suministrar el poder al sistema ya fue descrita con mayor detalle al final del capítulo IV, a continuación se muestra el diagrama esquemático del diseño final.

Fig.15 Módulo encargado de suministrar poder al sistema.

El siguiente diagrama esquemático muestra la configuración final para la etapa de control y procesamiento de datos, como fue descrito en capítulos anteriores se utilizó un Micro-procesador RABBIT 5700, hay que tomar en cuenta que esta configuración es compatible con Micro-Procesadores RABBIT de las series 4000, 5000 y 6000, montados en una tarjeta PCI Express.

Pri+ 1

Pri- 5

Sec1+ 6

Sec1- 7 Sec2+ 9

Sec2- 10

T1

Trans3

GND

GND

D1 D Tunnel1

D2 D

Tunnel1

PRI_PHA_L

Pri+ 1

Pri- 5

Sec1+ 6

Sec1- 7 Sec2+ 9

Sec2- 10

T2

Trans3

GND

GND

D3 D

Tunnel1

D4 D Tunnel1

PRI_PHB_L

Pri+ 1

Pri- 5

Sec1+ 6

Sec1- 7 Sec2+ 9

Sec2- 10

T3

Trans3

GND

GND

D6 D Tunnel1

D7 D

Tunnel1

PRI_PHC_L

470uF C7 Cap

100nF C8 Cap D5

Zener

5V

IN 3 2

OUT 1 GND

U2

L78L05ACZ 100nF C9 Cap

GND

+5V

DGND 21

HFOUT 22

DVDD 1

REFIN/OUT 10

NC 19 NC 4 AVDD 3

CH1+ 8 CH1- 7 CH0+ 5 CH0- 6

CLKOU

T 18 CLKIN 17 AGND 11

MCLR 9

F0/CS 14 F1/SDI 13 G0 16 G1 15 F2/SCK 12

HPF 2

NEG/SDO 20

FOUT0 24 FOUT1 23

U4

MCP3909-I/SS

GND 100nF C21 Cap 100nF

C20 Cap

100nF C19 Cap

300Vrms V3 Var

10nF C17 Cap

GND GND 1K R35 Res1

1K R36 Res1

+5V +5V

1K R37 Res1

MCLR

G0 G1 SCK SDI CS C

1K R31 Res1

SDO

GND CLKIN

68nF C16 Cap

1K R28 Res1 220K

R26 Res1

2K R27 Res1

GND GND

220K R25 Res1

0 Ohm R24 Res3

GND

1 2 3 4 5 P4

Header 5

100pF C18 Cap

1K R30 Res1

GND

PRI_PHC_L

25

VI.1 Configuración final de pines de entrada Para los tres dispositivos MCP3903

MCP3909 RABBIT

NEG/SDO PC5

OSC1/CLK_IN PE0

G0 PB6

G1 PB7

F1/SDI PC4

F2/SCK PB0

MCLR PB4

Pines de Chip Select para cada uno de los tres MCP3909

MCP3909 RABBIT

F0/CS1 PB0

F0/CS2 PB2

F0/CS3 PB3

Pines para la pantalla LCD

LCD DOGM128 RABBIT

CS4 PB7

A0 PC3

RESET PC2

BACKLIT PC1

SDI PC4

Fig.16 Configuración de entradas y salidas para la tarjeta PCI Express

1K R22 Res1

1K R33 Res1

1K R29 Res1

1K R23 Res1

1K R21 Res1

1K R34 Res1

GND 1

3.3V 2

Tx+ 3 Rx+ 4 Tx- 5 LNK 7

PE0 9

PE2 11

PE5 13 PE7 15 PD0 17 PD2 19 PC0 21

PC2 23

PC4/TxB 25 PB0/SCLK 27

PB2 29

PB4 31

PB6 33

PA0 35

PA3 37

PA4 39 PA6 41 /IORD 43

/IOWR 45

STATUS 47 SMODE 49

GND 51

3.3V 52

PC7/RxA 50

PC6/TxA 48

PB1/CLKA 46

VBAT_EXT 44

PA7 42 PA5 40

PA3 38

PA1 36

PB7 34

PB5 32 PB3 30

/RESET 28

PC5/RxB 26 PC3 24

PC1 22 PD3 20 PD1 18

/RESET_IN 16

PE6 14

PE3 12

PE1 10 ACT 8

Rx- 6

P3

PCIExpress Hembra

CLKIN

GND

SDO SCK SDI CS A

MCLR

G1 G0

1K R32 Res1

CS B CS C

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El diagrama final el cual se muestra a continuación muestra la circuitería empleada para la implementación de la pantalla LCD DOGM128. El Header 20 representa los pines de entrada y salida de la pantalla LCD, mientras que el Header 25X2 representa los pines de entrada y salida de la tarjeta que se diseño para ser compatible con el jack de 50 pines de la tarjeta de desarrollo incluida en el paquete del “MiniCore RCM5700 C-Programmable Core Module”. Cabe señalar que para el diseño final se hicieron algunos cambios en las terminales I/O de la pantalla. La configuración de pines para la pantalla LCD en relación con el Micro-Procesador RABBIT es la descrita a continuación: Pines para la pantalla LCD

LCD DOGM128 RABBIT

CS4 PB7

A0 PC3

RESET PC2

BACKLIT PC1

SDI PC4

Fig.17 Esquemático para la pantalla LCD

La parte de control y procesamiento de datos es realizada por el Micro-Procesador RABBIT. Como se mencionó anteriormente, éste puede ser programado utilizando lenguaje de programación C y utilizando el compilador Dynamic C incluido en el paquete “MiniCore RCM5700 C-Programmable Core Module”, se incluyó la biblioteca SPI_lib para poder utilizar las funciones de alto nivel para el control de los puertos SPI en el RABBIT las cuales fueron descritas en el capítulo IV (Programación del RABBIT). La siguiente sección muestra un ejemplo de código en donde se controlan dos dispositivos MCP3909 y la pantalla LCD simultáneamente y funciona así: en un buffer se almacena el dato para cada una de las señales el cual es enviado vía SPI del MCP3909 al RABBIT, este dato es procesado

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10

11 12

13 14

15 16

17 18

19 20

21 22

23 24

25 26

27 28

29 30

31 32

33 34

35 36

37 38

39 40

41 42

43 44

45 46

47 48

49 50

P1 Header 25X2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P2

Header 20

100pF C4 Cap

100pF C5 Cap

100pF C7 Cap

100pF C9 Cap

100pF C1 Cap

100pF C8 Cap

100pF C6 Cap

100pF C2 Cap

100pF C3 Cap

1 2 3

P4

Header 3 1 2 3

P3

Header 3

1K R1 Res1

1K R2 Res1

1K R3 Res1

1K R4 Res1

D1

LED0

GND

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utilizando las fórmulas para la conversión a voltaje y corriente en el sistema métrico decimal las cuales fueron descritas en el capítulo III (configuración Modo Dual). Finalmente el dato es desplegado en pantalla utilizando la interface SPI para el control de la pantalla LCD. En la pantalla se despliega la forma de onda proporcional a la señal medida. Para lograr el encuadre en la pantalla y que forma de onda proporcional a la señal medida pueda ser visualizada según se requiera, se utilizó una simple regla de tres:

Esta regla puede ser alterada si es que se quiere cambiar la proporción de la imagen a ser desplegada en la pantalla (cambiando los valores de los exponentes), pero siempre se tratara de una relación lineal.

while(1) limpiabuffer(); buffer[0]=0x00; buffer[1]=0x00; for(p=0;p<128;p++) for(n=0;n<4;n++) habilitaCS1(); SPIRead(adc_reading, 1); lectura[n]=adc_reading[0]; deshabilitaCS1(); habilitaCS2(); SPIRead(adc_reading, 1); lectura2[n]=adc_reading[0]; deshabilitaCS2(); datox[0]=(lectura[0] << 8 | lectura[1]); datox[1]=(lectura[2] << 8 | lectura[3]); if( datox[0]>buffer[0]) buffer[0]=datox[0]; if( datox[0]<buffer[1]) buffer[1]=datox[0]; volt=(-(datox[0])*(2.62))/((32768)*(2.395766468)); corr=((datox[1])*(2.35))/((32768)*(3.364267806)); datox[2]=(lectura2[0] << 8 | lectura2[1]); datox[3]=(lectura2[2] << 8 | lectura2[3]); volt=(-(datox[0])*(2.62))/((32768)*(2.395766468)); corr=((datox[1])*(2.35))/((32768)*(3.364267806)); volt2=(-(datox[2])*(2.62))/((32768)*(2.395766468)); corr2=((datox[3])*(2.35))/((32768)*(3.364267806)); dibuja(p,(datox[0]*0.00048)+48); dibuja(p,(buffer[1]*0.00048)+48); DibujaNumero(volt,100,40,1); deslectura[p]=datox[0]; deslectura3[p]=buffer[1]; dibuja(p,(datox[2]*0.00048)+16); deslectura2[p]=datox[2];

28

for(p=0;p<128;p++) borrar(p,(deslectura[p]*0.00048)+48); borrar(p,(deslectura3[p]*0.00048)+48); borrar(p,(deslectura2[p]*0.00048)+16); //DibujaNumero(volt,100,40,0);

El siguiente fragmento de código muestra como se gestionan los datos en la interface SPI y como es utilizada las función SPIWrite() durante el proceso de despliegue de cada uno de los puntos (dots) en la pantalla LCD. void escribe_en_pantalla(int pag, int col, int data) int page,col1; habilitaCS(); //CS activado A0comando(); // A0 activado para enviar comando page = pagina(pag);//obteniendo el formato de la pagina para que pueda ser reconocida por la pantalla SPIWrite(&page,1); //enviando pagina col1 = dircol_alta(col);//obteniendo parte alta de la direccion de la columna SPIWrite(&col1,1); //enviando parte alta de la direccion de la columna col1 = dircol_baja(col);//obteniendo parte baja de la direccion de columna SPIWrite(&col1,1);//enviando parte baja de la direcciion de la columna A0dato();//habilitando la escritura en el display SPIWrite(&data,1);//enviando el dato a visualizar en el display deshabilitaCS();//deshabilitando CS

A continuación se muestran una serie de fotografías del prototipo del sistema trabajando en su conjunto.

Fig.18 Sistema trabajando en su conjunto Fig.19 Despliegue de números en pantalla

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Fig.20 Imagen de dos MCP3909 trabajando simultáneamente Fig.21 Pantalla que despliega la onda de las señales medidas

En la Fig. 21 se puede ve cómo trabaja un detector de picos que se implemento vía código el cual detecta el valor pico de la señal medida dibujando una línea donde se presenta ese valor máximo

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VII Conclusión y trabajo futuro La primera fase del proyecto consto de varias etapas en distintas modalidades. Hubo una parte de investigación acerca de dispositivos existentes en el mercado para la medición de potencia de corriente trifásica. Esta investigación inicial se dio para tomar la decisión de cual podría ser un diseño idóneo al llevar a cabo la implementación física del prototipo en cuestión, y así tener un puto de partida más claro. El prototipo que se escogió, es uno propuesto por Microchip del cual se desprenden dos modelos que trabajan de forma similar, ya que ambos basan su diseño en el CI MCP3909 y el uso de los PICs: dsPIC33FJ128GP206 y PIC18F2520 respectivamente, utilizados para la parte de control del sistema y procesamiento de la señal. Conforme se fue avanzando en el proyecto se tomó la decisión de cambiar el uso del PIC por el del micro procesador Rabbit, esto debido a su gran versatilidad y bajo costo. Así que otra parte dentro de la investigación inicial se centro en cómo lograr establecer la configuración de los puertos de entrada y salida I/O y la implementación del puerto SPI del Rabbit por medio de la programación en C y el uso de las funciones de alto nivel junto con sus librerías previamente especificadas para Dynamic-C. Para lograr un avance en esa dirección se dio paso a la implementación física de dos dispositivos periféricos controlados por el micro procesador vía protocolo SPI. Estos dispositivos fueron, primero la pantalla LCD y después un convertidor Digital/Analógico. El µP Rabbit se configuró en ambos caso como el control maestro. El avance consistió principalmente en el desarrollo de varios códigos de prueba en lenguaje C, con los cuales fue posible controlar de manera absoluta y sin ninguna falla ambos dispositivos, es decir que los dos dispositivos respondieron satisfactoriamente a los ordenamientos de control suministrados en diversas pruebas. En la pantalla fue posible desplegar diferentes imágenes como puntos en coordenadas específicas, líneas, letras y una imagen fotográfica previamente convertida a mapa de bits. También fue posible realizar un manejo en los tiempos durante despliegue de datos dando así un rango mayor de posibilidades a la hora de generar imágenes en la pantalla LCD. Con el DAC fue posible convertir un par de señales previamente digitalizadas como archivo de audio digital a una señal de audio análoga, las cuales posteriormente fueron monitoreadas por medio de una bocina activa. De estas pruebas se hiso evidente un inconveniente ya que las muestras de audio tuvieron que ser muy pequeñas para poder ser incorporadas dentro de la memoria interna del microprocesador para ser procesadas, de ahí se desprende la necesidad de hacer uso de memoria externa para tener un mayor grado de versatilidad en las posibles aplicaciones. Otra etapa del proyecto que vale la pena mencionar consistió en la construcción del circuito impreso PBC de doble capa diseñado específicamente para montar la pantalla LCD sobre el kit de desarrollo del Rabbit, utilizando para el diseño de éste, el paquete computacional Altium, el cual es ampliamente utilizado en la industria a nivel profesional para el diseño de circuitos electrónicos. La dificultad consistió en tomar en cuenta todos los detalles necesarios para hacer empatar completamente la tarjeta impresa con la base del kit de desarrollo, se requirió mucho cuidado y atención a todos los detalles y se tuvieron que hacer muchas mediciones precisas en varios puntos para lograrlo, tomando en cuenta en todo momento las especificaciones ofrecidas por los fabricantes de los componentes empleados. Luego, el trabajo posterior de manufactura, hecho de manera artesanal ya que la tarjeta fue acabada a mano. No hubo complicaciones y la pantalla tuvo un funcionamiento normal desde el primer prototipo. Las siguientes imágenes muestran el trabajo final con la pantalla y una de las pruebas hechas con el DAC cuando fue generada una señal triangular.

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Fig.22 Imagen de la pantalla LCD funcionando Fig.23 Parte baja del primer prototipo de placa para la pantalla LCD

Fig.24 Pruebas realizadas con el DAC controlado vía SPI Fig.25 Señal triangular análoga obtenida del DAC

En la segunda fase del proyecto se procedió a implementar el medidor de corriente trifásica en un primer prototipo, funcionando en su totalidad como un sistema autosuficiente, se retomó el trabajo hecho durante la primera fase del proyecto en cuanto a generación de código y se procedió a activar primeramente uno de los dispositivos MCP3909, controlado éste por medio del micro-procesador RABBIT. La activación de este primer dispositivo fue más ardua ya que este dispositivo no solo recibe datos vía SPI como lo hacen la pantalla LCD y el convertidor digital analógico anteriormente implementados, sino que también envía datos por la misma interface o puerto SPI, estableciendo comunicación DUPLEX, este hecho implicó una mayor dificultad para la comprensión de la forma en la que el dispositivo opera, mayor rigor durante implementación física en la circuitería, además de ser un chip que por sus dimensiones requiere de montaje superficial. Una situación que hace que la operación de este dispositivo sea más compleja se da por el hecho de que cada uno de los MCP3909 requiere de dos relojes para su operación. Uno se encarga de la de la conversión análoga/digital para la generación de muestras, y este opera continuamente a partir de que el chip es activado, es decir que las muestras de la medición se están generando en todo momento. Aunque según las especificaciones este reloj debe actuar a una velocidad de unos 3.58Mhz para una operación óptima, se hicieron pruebas a velocidades mayores y menores y el dispositivo funcionó satisfactoriamente. Para la generación de este reloj fue necesaria la activación de otra terminal del RABBIT, aparte del puerto SPI, configurada como reloj de control (CLK_IN), lo que requirió de generación de código de programación para formar un modulo específico dedicado a la realización de esta tarea. El otro reloj es el necesario para establecer la

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comunicación serial con el micro-controlador el cual es activado cada que es enviado un paquete de datos y trabaja bajo el estándar del protocolo SPI. Este reloj es fácilmente configurable al incluir la biblioteca SPI_lib proporcionada por el fabricante del RABBIT, como se mencionó anteriormente. En este caso hubo que alterar la librería para trabajar en modo de reloj 0,1 (ver Tabla 3). Para trabajar en este modo de reloj se fue necesario escribir la siguiente línea en la biblioteca SPI_lib

#define SPI_CLOCK_MODE 2

ya que se encontró que este modo de reloj es compatible tanto con la pantalla LCD como con el MCP3909, lo que facilitó que todos los dispositivos del sistema pudieran ser controlados con un mismo puerto SPI, una de las ventajas que ofrece la aplicación de este protocolo de comunicación serial entre dispositivos. Un contratiempo que surgió al trabajar con este primer sensor MCP3909 fue que según las especificaciones su voltaje de operación es de 5V. La etapa de suministro de poder está diseñada para suministrar esos 5V, pero el micro-procesador RABBIT trabaja con 3.3V. Ese voltaje es el mismo con el que operan las terminales de la interface SPI: SDI, SDO, SCK y CS, sin embargo se encontró que para que el dispositivo trabajara correctamente la terminal CS debía ser suministrada con un voltaje pico de 5V, de lo contrario no realizaba ninguna acción. Para solucionar este problema se añadió al sistema, conectado a las entradas CS1, CS2 y CS3 de los tres distintos MCP3909 un buffer (SN74lS244N) que opera a altas frecuencias el cual suministra un voltaje pico de 5V en sus salidas, de esta manera se logro que los tres sensores fueran controlados simultáneamente elevando los 3.3V suministrados por el RABBIT a los 5V requeridos por éstos.

Fig.28 Buffer SN74LS244 utilizado para suministrar 5V en los CS de los sensores

Una vez que se pudo implementar y probar que ese primer sensor trabajaba correctamente se procedió a integrar todos los elementos del sistema para operar simultáneamente. Esta etapa no presentó mayor contratiempo ya que por primera vez se logro controlar varios dispositivos vía un mismo puerto SPI. El sistema funcionó como se esperaba desde un principio. Estos dispositivos fueron los tres sensores MCP3909 cada uno dedicado para medir a cada una de las tres fases de corriente trifásica, y la pantalla LCD, todos ellos controlados por el RABBIT. En esta etapa de integración del sistema, la mayor demanda de tiempo fue la que se invirtió para el desarrollo del código de programación en lenguaje C para el control del sistema. La parte final de esta etapa de integración del sistema consto en la integración al mismo del módulo encargado del suministro de poder, el cual como fue explicado en el capítulo IV, Utiliza la misma energía que se está midiendo para suministrar al sistema de sensores un voltaje de 5V y con el uso de un regulador a 3.3V al RABBIT, haciendo que el prototipo en su conjunto trabaje de

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manera autosuficiente. El diagrama final de este módulo se presenta en el capítulo V. inicialmente se construyó un prototipo para una sola fase que incluyó la etapa de transformación de 220V AC a 5V DC, y el divisor de corriente necesario para reducir el voltaje pico de la señal alterna a medir que es del orden de los 220V pico, a una señal alterna en proporción del orden de mili-volts, ya que el voltaje de entrada máximo que los sensores permiten es de 1V.

Fig.26 Etapa de suministro de poder para una fase

Se realizaron diferentes pruebas tomando corriente doméstica de 120V y aunque se sufrieron corto circuitos en un principio, se logro una configuración que funcionó adecuadamente y se demostró que la integración dentro del sistema de este módulo de suministro de voltaje es suficiente para el funcionamiento de éste. También se hicieron pruebas con un módulo diseñado para contener la tarjeta PCI Express en la cual viene montado el micro-procesador RABBIT para así poder desechar la tarjeta de desarrollo incluida en el “RABBIT mini core kit ”, con el fin de hacer un sistema más compacto y simple en el cual solo tiene que ser insertada una PCI Express card con un RABBIT mini core montado en ella.

Fig.27 Módulo compatible con PCI Express Card

En esta etapa no se presentaron problemas y el micro procesador funcionó correctamente al ser conectado al sistema.

VII.1 Trabajo Futuro Lo que sigue en el desarrollo de este proyecto es llevar a cabo la implementación física y funcional del medidor de la calidad de la corriente trifásica en un nuevo prototipo que incluya todos los elementos antes descritos funcionando en su conjunto el cual esté montado en un diseño PCB final del circuito.

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Un problema importante a resolver que se puede prever desde ahora es el error que se generará al tomar las mediciones, ya que la transacción de datos se hará de manera serial, es de esperarse que exista un desfasamiento (aunque mínimo) entre las tres fases, lo que llevara a la pregunta de cómo ajustar ese error a la hora de procesar esas muestras, para así generar datos de valor eficaz que representen de manera fiel los distintos componentes de la corriente que está siendo medida. Otro problema a resolver, una vez implementado físicamente este nuevo prototipo, va a ser la calibración justa del dispositivo. Para eso serán necesarias una serie de pruebas de campo, con la necesidad de utilizar otros medidores ya construidos para poder hacer comparaciones y saber si se están logrando mediciones que puedan ser tomadas como buenas. Este trabajo implica la generación de una actualización en el código de control (software). Otro punto en el que no se ha hecho ningún avance es el de la etapa de comunicaciones, donde se espera que el sensor pueda entregar los datos de salida de sus mediciones por medio de un puerto Ethernet o un puerto inalámbrico Wi-Fi.

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Bibliografía y Referencias [1] MCP3909 Energy Metering IC with SPI Interface and Active Power Pulse Output, datasheet, disponible por

internet en: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en520376, mayo 2012. fig. 1, pp:35; fig. 5, pp:20; fig. 6, pp:25; fig. 7, pp:26 tabla 1, pp:26; tabla 2, pp:28; tabla3, pp:30

[2] MCP3909 3-Phase Energy Meter Reference Design Using the PIC18F2520, disponible por internet en:

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en520559, Mayo 2012. fig. 4,pp:15; fig. 8, pp:20; fig. 13, pp:16

[3] MCP3909 dsPIC33FJ128GP206 3-Phase Energy Meter Reference Design, disponible por internet en: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/51723a.pdf, Maypo 2012. fig. 3, pp:18

[4] Dynamic C User´s manual, Integrated C Development System For Rabbit® 4000 and 5000 Microprocessors, disponible por nternet en: http://ftp1.digi.com/support/documentation/90001215_B.pdf, Mayo 2012.

[5] MiniCore RCM5700 C-Programmable Ethernet Core Module User’s Manual, disponible por internet en:

http://ftp1.digi.com/support/documentation/90001191_D.pdf, Mayo 2012. [6] Rabbit® 5000 Microprocessor User’s Manual, disponible por internet en:

ftp1.digi.com/support/documentation/0190168_a.pdf [7] TN200 (Technical Note) SPI Using the Rabbit Clocked Serial Ports, disponible por internet en:

http://ftp1.digi.com/support/documentation/0220038_f.pdf, tabla 5, pp:2 fig. 11, pp:2; fig. 12, pp: 4

[8] Caprilé Sergio R.,”El Camino del Conejo, Guía práctica para avanzar en el desarrollo con procesadores y

módulos Rabbit”, Gran Aldea Editores, 2010. [9] Bird John,”Electrical and electronic principles and technology”, Elsevier, 2006.

Fig. 9, pp: [10] Bradley David, “Basic electrical power and machines”, Chapman & Hall, 1994. [11] Autor anónimo, “A brief history of meter companies and meter evolution”, disponible en internet en:

http://watthourmeters.com/history.html, Ago 2011. [12] DOGM GRAPHIC SERIES 128x64 DOTS; datasheet; disponible por internet en: http://www.lcd-

module.com/eng/pdf/grafik/dogm128e.pdf; Mayo 2012

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Índice

I Introducción……………………………………………………………………………………………………………... 1 II Monitoreo de señales (estado del conocimiento) ……………………….…………………………. 2 II.1 Un poco de historia……………………………………………………………….…..…………………. 2 II.2 Tipos de medidores……………………………………………………………….……………………… 2 III Un sistema para el monitoreo de señales eléctricas………………………………................. 4 III.1 Descripción del sistema………………………………………..……………………................... 4 III.2 Sensores…………………………………………………………………………………..…………………… 5 III.3 Los convertidores a/d delta sigma de 16bits………………………………………………… 7 III.4 Voltaje de referencia ultra-low drift VREF……………………………………………………… 8 III.5 Descripción de la interfaz spi……………………………………………………………………….. 8 III.6 Configuración de los distintos modos de operación spi………………………………… 9 III.7 Controlando el mcp3909 con el puerto spi del micro procesador rabbit……… 11 IV Procesamiento de la señal…………………………………………………………………………………… 12 IV.1 Inicializando y configurando el MCP3909 en modo de operación………. 12

IV.2 Sistemas trifásicos……………………………………………………………………………… 13

IV.3 Potencia en un sistema trifásico balanceado………………………………………. 15

IV.4 Carga balanceada de cuatro puntas en estrella…………………………………. 15

V Desarrollo/Planificación……………………………………………………………………………… 16

V.1.1 Despliegue de datos en pantalla………………………………………………………… 16

V.1.2 Escritura de datos visibles a la pantalla……………………………………………… 19

V.2 Programación del Rabbit…………………………………………………………………… 19

V.3 Circuitería para el suministro de poder para el sistema………………………. 22

VI Resultados………………………………………………………………………………………………….. 23

VI.1 Configuración final de pines de entrada……………………………………………… 24

VII Conclusión y trabajo futuro………………………………………………………………………… 29

VII.1 Trabajo Futuro…………………………………………………………………………………. 33

Bibliografía y Referencias……………………………………………………………………………. 34