arduino como generador de datos desde simulink

UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI

FACULTAD INGENIERIAS

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

CONTROLES II

Profesor: MSc. JAVIER A. MURILLO M.

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VIII. CONTROL USANDO SIMULINK Y ARDUINO

Los entornos de Diseo de Sistemas de Control Asistido por

Ordenador (CACSD) estn experimentando notables cambios

durante los ltimos aos. Estos avances afectan a las distintas

fases de diseo de los sistemas de control como pueden ser el

modelado, la identificacin y la validacin de estos modelos, as

como a la posterior fase de diseo del controlador propiamente

dicho.

Figura No. 1

Este trabajo describe una herramienta cuyo principal objetivo

consiste en la integracin en un nico entorno de un conjunto de

funciones que permiten el control por realimentacin de estados

para sistemas SISO. Es decir, cubren la ltima fase de las

comentadas anteriormente, y supone que el modelo del sistema ya

ha sido obtenido por algn mtodo.

Existen numerosas y bien conocidas razones para utilizar este tipo

de control, como pueden ser su implantacin industrial, robustez,

facilidad de empleo, etc.




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Ahora utilizaremos el microcontrolador Arduino y Matlab (Simulink)

para hacer un control real del sistema.

EL MICROCONTROLADOR ARDUINO

En estas clases siguientes intentaremos una forma de acercarnos al

diseo y desarrollo de proyectos basados en Arduino. Dado que

tenemos los conocimientos adecuados en electrnica y

programacin, para hacerlo fcil, he pensado en que nos

centremos en los aspectos ms bsicos de las caractersticas y la

programacin de Arduino.

Otro de los objetivos de estas guas es organizar un poco la gran

cantidad de informacin que sobre este tema existente en la red.

Para ello casi toda la informacin se ha obtenido a travs de la

fuente http://www.arduino.cc o de manuales basados en ella pero

algo ms estructurados.

Por ltimo, las clases estn pensadas como soporte para la

realizacin de nuestro proyecto final que es el control de un sistema

real.

Qu es ARDUINO?

Arduino es una plataforma de prototipos

electrnica de cdigo abierto (open-

source) basada en hardware y software

flexibles y fciles de usar. Est pensado

para artistas, diseadores, como hobby

y para cualquiera interesado en crear

objetos o entornos interactivos.




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Arduino puede sentir el entorno mediante la recepcin de entradas

desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor

mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El

microcontrolador de la placa se programa usando el Arduino

Programming Language (basado en Wiring1) y el Arduino

Development Environment (basado en Processing2). Los proyectos

de Arduino pueden ser autnomos o se pueden comunicar con

software en ejecucin en un ordenador, en nuestro caso Matlab y

Simulink.

Existen muchos otros microcontroladores y adems plataformas

microcontroladoras disponibles para computacin fsica. Parallax

Basic Stamp, Netmedia's BX-24, Phidgets, MIT's Handyboard, y

muchas otras ofertas de funcionalidad similar. Todas estas

herramientas toman los desordenados detalles de la programacin

de microcontrolador y la encierran en un paquete fcil de usar.

Arduino tambin simplifica el proceso de trabajo con

microcontroladores, pero ofrece algunas ventajas para profesores,

estudiantes y aficionados interesados sobre otros sistemas:

Barato

Multiplataforma

Entorno de programacin simple y claro

Cdigo abierto y software extensible

Cdigo abierto y hardware extensible

Hay mltiples versiones de la placa Arduino. La mayora usan el

ATmega168 de Atmel, mientras que las placas ms antiguas usan el




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ATmega8. En nuestro caso nos dedicaremos exclusivamente al

trabajo con Arduino Uno.

Arduino Uno es una tarjeta basada en el microcontrolador

ATmega328 (datasheet). Tiene 14 entradas/salidas digitales, de las

cuales 6 pueden ser utilizadas como salidas PWM, 6 entradas

anlogas, un cristal oscilador de 16Mhz, conexin USB, conector de

alimentacin, conector ICSP y botn de reset. Contiene todo lo

necesario para hacer funcionar al microcontrolador, simplemente se

conecta al PC con un cable USB o se alimenta con una fuente

AC/DC o una batera de 9VDC.

La nueva Arduino UNO. Adicional a todas las caractersticas de su

predecesora Arduino Duemilanove, UNO ahora utiliza un

microcontrolador ATMega8U2 en vez del chip FTDI. Esto permite

mayores velocidades de transmisin por su puerto USB y no

requiere drivers para Linux o MAC (archivo inf es necesario para

Windows) adems ahora cuenta con la capacidad de ser reconocido

por el PC como un teclado, mouse, joystick, etc.

INSTALACION DEL SOFTWARE ARDUINO

Esta seccin explica como instalar el software Arduino en un

computador que ejecute Windows. Estos son los pasos para

instalar los controladores o drivers de Arduino UNO.

Lo primero que debemos hacer es descargar el entorno de

desarrollo y los drivers del Arduino, lo puedes bajar de la pgina

http://arduino.cc/es/Main/Software.




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Conecta la board y espera a que windows inicie el proceso de

instalacin, despus de unos minutos este fallar.

Haz Click en Menu Inicio, posiciona el mouse en equipo y presiona

click derecho, eligiendo la opcin de propiedades.

Ahora elije la opcin de administrador de dispositivos, mira debajo

de los puertos (COM & LPT) o en otros dispositivos, debe aparecer

Arduino UNO.

Da Click derecho en "Arduino UNO " y elije la opcin de actualizar

software del controlador.

Despus elije la opcin buscar software de controlador en el

equipo y selecciona la carpeta donde descargaste Arduino UNO o

superior.

Busca la carpeta drivers y seleccinala (slo la carpeta drivers no

la FTDI QUE SE ENCUENTRA INTERNA), sigue la instalacin de

manera normal.

Ahora ya est listo el PC para trabajar con la board Arduino UNO.

INICIANDONOS EN ARDUINO:

Esquema:

En la figura, podemos observar resaltadas las partes que es

necesario conocer para el correcto conexionado de la tarjeta.




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1. Lnea de comunicaciones pines 0 y 1 no se usan.

Entradas/salidas digitales pines del 2 al 13.

2. Botn reset de la tarjeta (Permite el re-inicio de la misma).

3. Lnea de Entradas analgicas (De la A0 a la A5).

4. Lnea de alimentacin. En estos pines podemos encontrar Vin,

GND, 5V, 3.3V y reset.

5. Plug de alimentacin de la tarjeta (Para voltajes entre 7 a 12

volts mximo).

6. Regulador de voltaje.

7. Conector USB.

Una vez instalado el paquete programa con sus drivers, en

Windows 7, vamos a ejecutar la aplicacin y despus

seleccionaremos el tipo de placa que tenemos y el puerto COM por

el que se van a enviar los datos, para ello hacemos doble click

sobre el fichero con nombre arduino y se abrir la aplicacin. Nos

encontraremos con una ventana como la mostrada en la figura

siguiente.

Como se puede ver, en la parte

superior hay una serie de mens, si

pinchamos en tools podemos ver

que tenemos disponibles las

opciones "Board" y "Serial Port", en

board seleccionamos nuestro tipo

de placa y en serial port el puerto

de comunicaciones donde se




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encuentra nuestro Arduino, puedes comprobar cmo se ha

instalado si buscas en el Administrador de Dispositivos de Windows

en la pestaa "Puertos (COM yLPT)" el dispositivo con nombre "USB

Serial Port (COMx)".

Ahora nos podramos preguntar el por qu de que se llame "USB

serial Port" y por qu transferir archivos por puerto COM si nuestro

Arduino est conectado por USB, la respuesta es fcil, el Arduino en

realidad se comunica por puerto COM y en su placa lo que tiene es

un convertidor de puerto Serie a USB para que as podamos usarlo

por USB que es mucho ms cmodo y est ms extendido que el

COM.

Una vez que tenemos nuestro

Arduino conectado y

configurado podemos cargar

un programa de ejemplo para

comprobar su funcionamiento,

en el paquete que nos hemos

descargado tenemos una serie

de ejemplo que podemos

subir.

Para esto pulsamos en el botn File -> Examples -> 1.Basics ->

Blink con esto cargamos un pequeo cdigo que har que un led

conectado a la salida 13 se encienda y se apague con una

frecuencia de un segundo. Ejecute el programa con el diodo ya

conectado como se muestra en la figura.




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Como eso es muy sencillo y poco atractivo, lo podemos modificar

ligeramente para que cuando el led del terminal 13 este encendido,

el del terminal 12 este apagado y justo lo contrario as conseguimos

que parpadee uno si y uno no, copie, analice y ejecute el cdigo

siguiente:

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT); // Inicializa pin 13 como salida

pinMode(12, OUTPUT); // Inicializa pin 12 como salida

}

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH); // LED on

digitalWrite(12, LOW); // LED off

delay(1000); // Tiempo de espera

digitalWrite(13, LOW); // LED off

digitalWrite(12, HIGH); // LED on

delay(1000); // Tiempo de espera

}

Realizando algunos arreglos en las lneas podemos hacer un

semforo o jugar con una combinacin de LEDs. Intente montando

un circuito como el de la figura.




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TRABAJANDO CON EL HARDWARE DE ARDUINO

En este tema les muestro cmo aadir soporte hardware Arduino

con el producto Simulink de Matlab. Una vez completado este

proceso, se pueden ejecutar modelos de Simulink en su hardware

Arduino.

El proceso de instalacin agrega los siguientes elementos a su

computador.

Herramientas de desarrollo de software, tales como el

software de Arduino.

Una librera de bloques de Simulink para configurar y

acceder a los sensores, actuadores, y a las interfaces de

comunicacin de Arduino.

Demos para empezar a aprender acerca de las

caractersticas especficas de Simulink y Arduino.

Para instalar Arduino siga los siguientes pasos: (debe estar

conectado a internet)

Abra en Simulink un documento nuevo.

Selecciones Tools, y luego Run on Target Hardware >

Install/Update Support Package.

La velocidad de instalacin depende de su conexin a internet.

Despus de unos segundos se le presenta:




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Seleccione internet y presione siguiente. Ahora se presenta:

Seleccione la tarjeta a instalar, en nuestro caso Arduino Uno y

presione siguiente. Ahora tenemos:




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Al presionar Install se presenta un displays de carga de Arduino.

Despus de una espera aparecer

Presiono Finish y listo. Ya podemos usar Arduino.




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En las libreras de Simulink debe aparecer un nuevo men de

bloques con el nombre Simulink Support Package for Arduino

Hardware.

Para instalar las otras libreras, le solicito que descarge los

programas ArduinoIO y Arduino_Simulink de la pgina

www.javalmu.wikispaces.com y los instale en una carpeta ubicada

en c: con los nombres ArduinoIO y arduino_simulink

repectivamente.

Abrimos Matlab y en el promt escribimos:

>> cd c:\arduino_simulink

>>addpath(fullfile(pwd,'arduino'),fullfile(pwd,'blocks'),fullfile(pwd,'d

emos'))

>>savepath

Las instrucciones anteriores son para cargar a simulink el Arduino

Target y para cargar el Arduino IO Library escribimos

>> cd c:\arduinoIO

>> addpath(fullfile(pwd,'examples'),fullfile(pwd,'simulink'))

>>savepath

Cierre Matlab y vulvalo a abrir. Al abrir SIMULINK deben aparecer

en las libreras:

Arduino IO Library




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Arduino Target

Simulink Support Package for Arduino Hardware

ARDUINO COMO GENERADOR DE DATOS DESDE SIMULINK

Ahora solamente queda conectar la tarjeta Arduino UNO, como si

fuera una tarjeta de interface o de transferencia de datos, con

MATLAB, sigamos los siguientes pasos:

1. Asumiendo que ya tiene instalado el IDE ARDUINO, abra desde

este entorno, el archivo adiosrv.pde que est dentro de la

carpeta adiosrv, que a su vez est dentro de la carpeta pde ,

una de las que se descomprimi.

2. Cargue en la tarjeta, este programa. Este sketch, contiene el

cdigo necesario para que la tarjeta Arduino escuche los

comandos ejecutados desde Matlab, ejecute instrucciones,

interacte con dispositivos conectados a la tarjeta y transfiera

datos desde sensores y dispositivos, hacia Matlab.

3. Una vez cargado el programa en la tarjeta Arduino, es

recomendable cerrar el IDE ARDUINO, para que Matlab pueda

acceder al puerto serial que se abre cuando se conecta la tarjeta.

Bien, ahora realicemos una prctica en la cual deseamos enviar un

escaln de 1 voltio a travs del pin 9 de la tarjeta Arduino.

Montemos en Simulink los siguientes bloques:




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Los bloques Arduino IO setup y Real-Time Pacer deben

presentarse siempre porque son los que permiten direccionamiento

con la tarjeta y el manejo en tiempo real. Note que el bloque

Arduino IO debe tener el puerto al cual esta asignada la tarjeta.

Al escaln se le asigna una ganancia 55 para que se pueda generar

1 voltio a la salida del pin 9.

Coloque un LED entre el pin 9 y tierra y ejecute el programa.

Usted puede manejar el tiempo del escaln.




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ARDUINO COMO GENERADOR DE DATOS HACIA SIMULINK

Uno de los ejemplos ms bsicos consiste en leer datos de un

sensor conectado al Arduino y transmitirlos al PC mediante

comunicacin serie y visualizarlo en el osciloscopio de Simulink.

El objetivo ser pues leer una seal analgica de dos (extensible

fcilmente a ms) sensores (en este caso potencimetros) y

transmitirla a Matlab (simulink), a fin de poder trabajar con ella.

En primer lugar, vamos a preparar

el Arduino. Conectamos los

potencimetros entre los pines de

+5V y Gnd (neutro) y sus pines

centrales (que por tanto

presentarn un voltaje entre +5V y

0V) a las entradas analgicas A0 y

A1 del Arduino, como se muestra a

la derecha.

Por supuesto, cualquier otro sensor analgico sirve exactamente

igual para este ejemplo.

Veamos ahora como leemos informacin de voltaje real desde los

potencimetros a travs de la tarjeta Arduino y visualizarlo en el

osciloscopio de Simulink. Montemos en Simulink los siguientes

bloques:




CONTROLES II


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Ahora se han utilizado los bloques Analog Read para lectura de

datos analgicos y un bloque de ganancia , esta ganancia

debe aparecer para convertir la salida en Simulink a como si fuera

real.

EJERCICIO No. 1

Diseemos un circuito con 5 LEDs, conectados a las salidas de 9 a

13 y con 4 modos de operacin manejados entre Arduino y

Simulink tal que:

Modo 1: Todos los LEDs apagados




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Modo 2: Todos los LEDs encendidos

Modo 3: LEDs parpadenado a la misma frecuencia variada por un

potencimetro.

Modo 4: LEDs parpadeando uno tras otro con velocidad variable por

un potencimetro.

El usuario puede seleccionar el modo mediante un interruptor.

Selector

de modo

Variador de

frecuencia

Protoboard

arduino como generador de datos desde simulink

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