Sistema de Adquisición de Señales para Instrumentos Geofísicos¶

Introducción¶

Los instrumentos electrónicos utilizados para medir los parámetros geofísicos poseen diversos tipos de salidas analógicas o digitales. Esta diversidad genera la necesidad de usar distintos tipos de adecuación de señal y digitalizadores. En el mercado se pueden encontrar equipos que integran por cada tipo de sensor la adecuación de señal hasta la comunicación y almacenamiento. Una segunda opción es usar módulos de adquisición general en rangos estándar de tensión o corriente con una sola interfaz de comunicación y almacenamiento que contenga la información de todos los sensores que se encuentren conectados.
Debido al coste, disponibilidad y flexibilidad de los de sistemas de adquisición fue que el ROJ planteó el diseño de un sistema de adquisición como parte del proyecto de Modernización del Magnetómetro. El éxito de este proyecto fue el primer antecedente para sugerir el desarrollo de un equipo capaz de adaptarse a diversos tipos de sensores.
El desarrollo de este equipo tiene como finalidad ofrecer un producto capaz de integrarse a los instrumentos usados por el IGP en todas sus áreas de estudio.

Descripción del proyecto¶

Objetivo principal¶

Desarrollar un equipo adaptable a diversos tipos de sensores.

Características del proyecto¶

• La adecuación de señal de la primera versión del equipo debe soportar las tasas de muestreo requeridas por los magnetómetros, sismógrafos y sensores climáticos las cuales generalmente se encuentran en el orden de las unidades de KHz. En este punto se plantea tomar como referencia la salida requerida por el magnetómetro patentado por el ROJ el cual es muestreado a 10sps, 20 bits por muestra, con una salida analógica entre +/- 10VDC e tipo diferencial con OP07 a la salida (Referencia Ing. Oscar Véliz).

• La respuesta en frecuencia de la etapa de adecuación de señal no es necesarimente la ideal para todo tipo de sensores pero el sistema debe ser capaz de soportar etapas de adecuación especialmente diseñadas por cada tipo de sensor.

• Con el fin de ofrecer la flexibilidad en la adecuación de señal, reloj de digitalización y funcionamiento del sistema así como de las tensiones de funcionamiento se propuso que cada función del sistema sea desarrollado por un módulo específico.

• La toma de datos debe estar sincronizada con el PPS de GPS.

• El almacenamiento de los datos debe realizarse en un formato estándar.

• La comunicación Ethernet debe enviar los datos a un servidor.

• El sistema debe ser capaz de alimentarse vía baterías cargadas por paneles solares.

• La etapa de alimentación debe detectar el estado de batería baja, enviar el aviso al servidor así como apagar de manera segura al sistema.

Alcance del proyecto¶

• El proyecto será testeado con el magnetómetro patentado por el ROJ.
• La primera versión tendrá por lo menos 3 canales independientes.
• El desarrollo abarca desde la etapa electrónica de adquisición de señales analógicas de forma modular hasta la interfaz de comunicación en el servidor.

Antecedentes de desarrollo del proyecto¶

Primera Etapa¶

Inicio¶

El proyecto fue iniciado el 03 de Diciembre del 2013.

Responsables¶

• Líder de Proyecto: Jorge Ortiz
• Desarrollador: Alan Sanchez

Avances¶

El proyecto fue desarrollado hasta Junio del 2015 con ese equipo.
La definición del proyecto, plan de trabajo, restricciones y documentación de los esquemas, diseños de PCBs y Firmwares de desarrollo hasta el se encuentran en el siguiente enlace:
http://jro-dev.igp.gob.pe/trac/ed_proj/gen_acq

Resultados¶

De esta primera etapa se rescataron para la segunda etapa del proyecto lo siguiente:
* Definición del proyecto
* Plan de trabajo
* Definición de bloques a desarrollar
* Diseños en Eagle de los módulos del sistema
* Diagramas de flujo, secuencia y esquemas del firmware
* Definición de funciones a usarse en firmwares para microcontroladores
* VHDL de filtros para la etapa de pre procesamiento
* Tarjetas semi ensambladas de los módulos de adquisición, pre-procesamiento, alimentación y sincronización
* Disponibilidad en laboratorio de la Raspberry B

Observaciones¶

Durante la revisión del proyecto se encontraron puntos a tener en cuenta en las siguientes versiones del proyecto a nivel de hardware las cuales serán detalladas en cada módulo.
La revisión general arrojó que los desarrollos de la segunda etapa se deben centrar en el desarrollo de firmware y VHDL de los módulos a usarse.
Se encontró con la necesidad de un programador para XMEGA que no estaba disponible en el área de IDi.

Segunda Etapa¶

Inicio¶

El proyecto fue iniciado el 05 de Octubre del 2015.

Responsables¶

• Líder de Proyecto: Joaquín Verástegui
• Desarrollador: Luis Gonzáles

Avances¶

El proyecto se encuentra en desarrollo.
La documentación se encuentra en el Sistema de Gestión Redmine en el siguiente enlace: http://10.10.50.96 .

Observaciones¶

Para esta segunda etapa se planteó como primera versión del sistema desarrollar bloques de comunicación de los datos digitalizados por el módulo de adquisición hasta la recepción en el módulo de almacenamiento y comunicación Ethernet.

Herramientas de Desarrollo¶

Hardware¶

• Eagle 6.5.0 (mín.)

Firmware¶

• Atmel Studio 6.2.

VHDL¶

• ISE Design Suite 14.7.

Diagrama de bloques¶

En el siguiente enlace se presentan los bloques que se planificaron para el diseño del SAIG.

Módulo de Adquisición¶

Este módulo contiene los componentes necesarios para la adecuación de señal, digitalización y comunicación al módulo de pre-procesamiento.
En el enlace se presentan las partes del desarrollo: funciones, hardware y firmware.

Módulo de Pre-procesamiento¶

Este módulo se encarga de la comunicación con los diferentes canales del módulo de adquisición; el almacenamiento de datos crudos y el procesamiento de los mismos, y la comunicación con el módulo de almacenamiento y comunicación Ethernet. Además de las funciones antes mencionadas, en la primera versión de este sistema de adquisición, este módulo se encargará de brindar la señal de reloj al módulo de adquisición.
En el enlace se presentan los componentes desarrollados en VHDL.

Módulo de Sincronización¶

Este módulo se encarga de brindar el reloj base al módulo de pre procesamiento además de brindar el PPS a los demás módulos del sistema.
En el enlace se presentan las especificaciones y desarrollos de hardware y firmware.

Módulo de Almacenamiento y Comunicación Ethernet¶

Este módulo se encarga del almacenamiento de los datos de los diferentes canales en un formato estándar y da la capacidad de comunicación Ethernet hacia un servidor.
En esta primera versión se eligió a la Raspberry B para implementar las funciones de este módulo.
En el enlace se presentaran las especificaciones, referencias y desarrollos de software para este módulo.

Módulo de Alimentación¶

Este módulo se encarga de ofrecer salidas de tensión estabilizadas en los diferentes niveles usados en el sistema así como de realizar el monitoreo del estado de batería externa y envío de señal de apagado en caso de alguna deficiencia.
En el enlace se presentan las especificaciones del módulo y desarrollos de hardware y firmware para este módulo.

Interfaz Web de Configuración¶

La interfaz web en servidor servirá para la presentación de datos y configuración remota.
En el siguiente enlace se presentan las especificaciones del software desarrollado, códigos fuentes y resultados de las pruebas.

Resultados¶

En el siguiente enlace se presentarán las especificaciones de las pruebas, capturas de pantalla, fotografías y videos de las pruebas realizadas del sistema en su totalidad.

Observaciones¶

En el enlace se presentarán las observaciones a los resultados, diseños y comportamientos en pruebas que deberán ser tomadas en cuenta para el funcionamiento del sistema así como consideradas en futuros desarrollos.