Desarrollo de un dispositivo basado en microcontrolador cortex-M4 para la simulación hardware-in-the-loop de procesos dinámicos

Abstract

[ES] En este proyecto se muestra el diseño del software y el hardware necesarios para la simulación Hardware-In-the-Loop (HIL) de procesos dinámicos básicos en el ámbito de la ingeniería. Con este dispositivo se persigue desarrollar una plataforma económica que pueda ser utilizada por estudiantes para analizar el comportamiento de diferentes procesos sin necesidad de disponer de los prototipos reales, que generalmente son mucho más caros y se dispone de pocas unidades. De entre los diferentes bloques que forman el proyecto (ver figura adjunta), la placa de circuito impreso (PCB) es el elemento central. En ella, se ha insertado un microcontrolador con una aplicación interna desarrollada en lenguaje C. Este programa tiene los modelos matemáticos necesarios para realizar la simulación de 14 procesos, se encarga de leer sus entradas, aplicar las expresiones correspondientes y suministrar el resultado obtenido a la salida. Sin embargo, para poder tratar correctamente las señales que llegan y abandonan la placa, ha sido necesario incluir diferentes componentes electrónicos para adaptar los niveles de tensión al rango adecuado en cada momento: el microcontrolador admite [0, 3.3]V, mientras que las tarjetas de adquisición de datos (TAD) utilizadas abarcan un intervalo mucho mayor, [-10, 10]V. Una aplicación desarrollada en LabVIEW facilita al usuario el manejo de todo el sistema. Desde un entorno gráfico, se permite la modificación de los parámetros característicos de cada proceso, iniciar/finalizar la simulación, añadir un sistema de control, ver la evolución del proceso en tiempo real y generar ficheros de texto con los resultados de los ensayos realizados. Para sincronizar ambas aplicaciones, se utiliza el puerto serie. A través de este protocolo de comunicación y mediante un sistema de códigos especialmente diseñado para este proyecto, la aplicación en LabVIEW le va transmitiendo de forma continuada la nueva configuración al programa que se encuentra insertado en el microcontrolador.

[CA] En aquest projecte es mostra el disseny del software i el hardware necessaris per a la simulació Hardware-In-the-Loop (HIL) de processos dinàmics bàsics en l’àmbit de l’enginyeria. Amb el present dispositiu es pretén desenvolupar una plataforma econòmica que puga ser utilitzada per estudiants per a analitzar el comportament de diferents processos sense la necessitat de disposar dels prototips reals, que generalment són molt més cars i es disposa de poques unitats. Dels diferents blocs que formen el projecte (figura adjunta), la placa de circuit imprès (PCB) és l’element central. En ella, s’ha inserit un microcontrolador amb una aplicació interna implementada en llenguatge C. Aquest programa té els models matemàtics necessaris per a realitzar la simulación de 14 processos, s’encarrega de llegir les entrades, aplicar les expressions corresponents i subministrar el resultat obtingut a l’eixida. No obstant això, per a poder tractar correctament els senyals que arriben i abandonen la placa, ha sigut necessari incloure diferents components electrònics per a adaptar els nivells de tensió al rang adequat en cada moment: el microcontrolador admet [0, 3.3] V, mentres que les targetes d’adquisició de dades (TAD) utilitzades comprenen un interval molt major, [-10, 10] V. Una aplicació desenvolupada en LabVIEW facilita a l’usuari el govern de tot el sistema. Des d’un entorn gràfic, es permet la modificació dels paràmetres de cada procés, iniciar/finalitzar la simulació, afegir un sistema de control, observar l’evolució del procés en temps real i generar fitxers de text amb els resultats dels assajos realitzats. Per a sincronitzar les dues aplicacions, s’utilitza el port sèrie. A través d’aquest protocol de comunicació i mitjançant un sistema de codis especialment dissenyat per a este projecte, l’aplicació en LabVIEW li va transmetent de forma continuada la nova configuració al programa que es troba inserit en el microcontrolador.

[EN] This project shows the design of the software and hardware necessary for Hardware-In-the-Loop simulation (HIL) of basic dynamic processes in the field of engineering. This device is intended to develop an economic platform that can be used by students to analyse the behaviour of different processes without having the real prototypes, which are usually much more expensive and few units available. Between the different blocks that make up the project (see attached figure), printed circuit board (PCB) is the central element. In it, a microcontroller has been inserted with an internal application developed in C language. This program has the mathematical models necessary to carry out the simulation of 14 processes, it is responsible for reading the entries, apply corresponding expressions and provide the result to the output. However, in order to correctly deal signals that arrive and leave the PCB, it has been necessary to include different electronic components to adapt the voltage levels to the right rank at every moment: microcontroller admits [0, 3.3] V, while data acquisition card (DAQ) cover one much more grater range, [-10, 10] V. An application developed in LabVIEW provides the user management of the entire system. The graphical interface allows modification of the characteristic parameters of each process, start/finish the simulation, adding a control system, see the evolution of the process in real time and generate text files with the results of the tests. To synchronize both applications, the serial port is used. Through this communication protocol and by a code system specially designed for this project, LabVIEW application is transmitting continuously the new configuration to the program that is inserted in the microcontroller.