Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingenier´ıaEl´ectrica Departamento de Autom´aticay Sistemas Computacionales

Trabajo de Diploma

Dise˜nodel hardware de un metrocontador digital programable con capacidad de comunicaci´onbasado en PIC

Autor: Rigoberto Roque Martinez

Tutor: Dr.C. Roberto Ballesteros Horta,

Santa Clara 2010 “A˜no52 de la Revoluci´on” Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingenier´ıaEl´ectrica Departamento de Autom´aticay Sistemas Computacionales

Trabajo de Diploma

Dise˜nodel hardware de un metrocontador digital programable con capacidad de comunicaci´onbasado en PIC

Trabajo de Diploma presentado en opci´onal T´ıtuloAcad´emicode Ingeniero en Autom´atica

Autor: Rigoberto Roque Martinez email: [email protected], [email protected]

Tutor: Dr.C. Roberto Ballesteros Horta, Prof. Titular Dpto. de Autom´atica,Facultad de Ing. El´ectrica,UCLV email: [email protected]

Santa Clara 2010

“A˜no52 de la Revoluci´on” Hago constar que el presente Trabajo de Diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminaci´onde estudios de la especialidad de Ingenier´ıaen Autom´atica,autorizando a que el mismo sea utilizado por la Instituci´on, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que adem´asno podr´aser presentado en eventos, ni publicados sin autorizaci´onde la Universidad.

Rigoberto Roque Martinez Fecha Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado seg´unacuerdo de la direcci´onde nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la tem´aticase˜nalada.

Rigoberto Roque Martinez Fecha Autor

Boris Luis Mart´ınezJim´enez,Dr.C Fecha Jefe del Departmento

Roberto Ballesteros Horta, Dr.C. Fecha Responsable de Informaci´onCient´ıfico-T´ecnica PENSAMIENTO

“ En la escuela se ha de aprender el manejo de las fuerzas con que en la vida se ha de luchar”.

Jos´eMart´ı T.13, P´ag.53,3 de junio de 1883.

i DEDICATORIA

A mis padres, Rigoberto Roque y Ana Martinez

por darme la oportunidad de ser alguien en la vida, todo lo que he logrado hasta ahora se lo debo a ellos.

A mi hermana Anisleidy Roque, gracias por tenerle paciencia a tu hermano.

A mi familia,

por su apoyo incondicional.

ii AGRADECIMIENTOS

A mis padres,

gracias por nunca dudar de m´ı.

A mi hermana, gracias por apoyarme en los momentos m´asdif´ıciles.

A mi familia,

gracias por tener paciencia conmigo.

A todas las personas que me han apoyado y cre´ıdoen m´ı, espero no haberlas defraudado.

En especial a la Lentium, por haber aguantado tantos programas y no fallarme.

iii TAREA TECNICA´

An´alisisbibliogr´aficosobre los PIC y el hardware para dispositivos sensores de sistemas de potencia.

Selecci´ony estudio del PIC seleccionado.

Dise˜node hardware basado en PIC para crear un medidor de energ´ıael´ectricacon salidas de control.

Propuesta del sistema de desarrollo de la programaci´on

Validaci´ondel dise˜no,an´alisisy recomendaciones. Confecci´ondel Informe Final.

Rigoberto Roque Martinez Autor

Dr.C. Roberto Ballesteros Horta, Tutor

iv S´INTESIS

El presente trabajo de diploma se basa en la falta de una infraestructura t´ecnicapara crear un sistema de medici´onde energ´ıael´ectricacon capacidad de comunicaci´onpara consumidores de peque˜nademanda, en funci´onde mejorar la eficiencia energ´eticadel pa´ıs. Se realiz´oel dise˜node un dispositivo digital de bajo costo basado en PIC para la medici´on de energ´ıael´ectrica,que posea capacidad de comunicaci´ony salidas de control, todo el sistema se encontrar´aempotrado en un mismo dispositivo por lo que facilita la puesta en marcha y mantenimiento del mismo. El circuito se simul´osobre la herramienta OrCAD v9.0 y se realiz´oun diagrama del circuito para su posterior montaje. Se desarroll´oel software necesario para el funcionamiento del microcontrolador y se utiliz´oel software IAR Embedded Workbench para la compilaci´on del programa.

v TABLA DE CONTENIDO P´agina

PENSAMIENTO ...... i

DEDICATORIA ...... ii

AGRADECIMIENTOS ...... iii

TAREA TECNICA´ ...... iv

S´INTESIS ...... v

GLOSARIO ...... ix

INTRODUCCION´ ...... 1

1. DISPOSITIVOS DE MEDICION´ DE ENERG´IA ELECTRICA´ Y LOS PIC . 5

1.1. La medici´onde energ´ıael´ectrica...... 5 1.1.1. Breve rese˜nadel desarrollo de la electricidad...... 5 1.1.2. Surgimiento y necesidad de las redes el´ectricas...... 7 1.1.3. Necesidad e importancia de la medici´onde energ´ıael´ectrica. .. 9 1.2. Caracter´ısticasdel hardware para dispositivos de medici´onde energ´ıa el´ectrica...... 10 1.2.1. El metrocontador electrom´ecanico...... 10 1.2.2. El metrocontador electr´onico...... 11 1.2.3. El metrocontador digital...... 12 1.3. Microcontroladores PIC...... 12 1.3.1. ¿Qu´ees un PIC? ...... 12 1.3.2. Caracter´ısticasde un PIC ...... 13 1.3.3. ¿C´omoprogramarlos y en qu´eentornos hacerlo? ...... 14 1.3.4. PIC especializados en la medici´onde energ´ıael´ectrica...... 16 1.4. Herramientas utilizadas para el trabajo...... 18 1.4.1. Software OrCAD...... 18

vi 1.5. Conclusiones del Cap´ıtulo...... 20

2. ESTUDIO DEL MICROCONTROLADOR MSP430F449 Y DISENO˜ DEL HARD- WARE DEL MEDIDOR DE ENERG´IA ELECTRICA´ ...... 21

2.1. Comparaci´ondel Microcontrolador MSP430F449 con otros microcon- troladores ...... 21 2.2. Caracter´ısticasdel Microcontrolador MSP430F449 ...... 22 2.2.1. CPU ...... 25 2.2.2. Set de Instrucciones ...... 26 2.2.3. Modos de Operaci´on ...... 31 2.3. Perif´ericosdel Microcontrolador MSP430F449 ...... 32 2.4. Implementaci´ondel Software ...... 35 2.4.1. Proceso de fondo ...... 36 2.4.2. Proceso de primer plano ...... 37 2.5. Cron´ometrode Interrupci´on ...... 40 2.6. Medici´onde corriente y voltaje ...... 40 2.7. Compensaci´onde Fase ...... 41 2.8. Medici´onde frecuencia ...... 42 2.9. Generaci´onde pulsos LED ...... 43 2.10. Dise˜nodel hardware del medidor de energ´ıael´ectricabasado en el mi- crocontrolador MSP430F449 ...... 44 2.10.1. Alimentaci´ondel circuito ...... 45 2.10.2. Acondicionamiento de la se˜nalpara la medici´onde voltaje .... 46 2.10.3. Acondicionamiento de la se˜nalpara la medici´onde corriente ... 46 2.10.4. El controlador de LCD ...... 47 2.10.5. Comunicaci´onserie RS232 basado en el CI MAX232 ...... 50 2.10.6. Dise˜nodel medidor digital en la herramienta OrCAD ...... 52 2.11. Conclusiones del Cap´ıtulo ...... 53

3. SOFTWARE Y SIMULACION´ ...... 54

3.1. Compilador IAR ...... 54 3.2. Programaci´ondel PIC MSP430F449 ...... 55 3.2.1. Proceso de primer plano ...... 55 3.2.2. Proceso de fondo ...... 56 3.2.3. Conversor An´alogo/Digitalde 12 bits ...... 56 vii 3.2.4. Controlador LCD ...... 56 3.2.5. Comunicaci´onserie RS232 basado en el CI MAX232 ...... 57 3.3. Circuito Impreso ...... 58 3.4. Valoraci´onEcon´omica ...... 59 3.5. Conclusiones del Cap´ıtulo ...... 62

CONCLUSIONES ...... 63

RECOMENDACIONES ...... 64

ANEXOS ...... 67

ANEXO 1 ...... 68

ANEXO 2 ...... 72

ANEXO 3 ...... 75

ANEXO 4 ...... 77

ANEXO 5 ...... 86

viii GLOSARIO

AC Alternating Current, Corriente Alterna. ACLK Auxiliary Clock, Reloj Auxiliar. ADC Analog/Digital Converter, Convertidor An´alogo/Digital. ANSI American National Standards Institute, Instituto Nacional de Estandarizaci´on Americano. AUSART Addressable USART, USART Direccionable. BOR Brown Out Reset. Buffer Acumulador. CI Circuito Integrado. CISC Complex Instruction Set Computer, Set de Instrucciones de Computadora Complejo. CLK Clock, Reloj. CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor, Semiconductor Complemen- tario Metal-Oxido. CPU Central Processing Unit, Unidad de Procesamiento Central. DC Direct Current, Corriente Directa. DCO Digitally Controlled Oscillator, Oscilador Digital Controlado. Display Pantalla. DNP Distributed Network Protocol, Protocolo para Red Distribuida. Driver Manejador. E/S Entrada/Salida. EEPROM Electric Erasable Programmable Read Only Memory, Memoria de Solo Lec- tura Programable y Borrable El´ectricamente. EPROM Electric Programmable Read Only Memory, Memoria de Solo Lectura Pro- gramable El´ectricamente. EUSART Enhanced USART, USART Mejorada. FIR Finite Impulse Response, Respuesta Finita de Impulso. FLL Frequency Locked Loop, Lazo de Amarre de Frecuencia. GPL General Public Licence, Licencia P´ublicaGeneral. HBM Human Body Model, Modelo de Cuerpo Humano. I2S Interchip Sound Interface, Interfase de Sonido. ICSP In Circuit Serial Programming, Programaci´onSerie Incorporada. ISR Interrupt Service Routine, Rutina de Interrupci´onde Servicio. ksps kilo samples per second, mil muestras por segundo. kV Kilovolt. KW Kilovatio. KWh Kilovatio Hora. Layer Placa de Dise˜no. LCD Liquid Cristal Display, Pantalla de Cristal Liquido. LED Light Emission Diode, Diodo de Emisi´onde Luz.

ix LPM Low Power Mode, Modo de Bajo Consumo. LVP Low Voltage Programming, Programaci´ona Bajo Voltaje. MAB Memory Address Bus, Bus de Direccionamiento de Memoria. MCLK Master Clock, Reloj Maestro. MCU Multipoint Control Unit, Unidad de Control Multipunto. MDB Memory Data Bus, Bus de Memoria de Datos. MIPS Million of Instruction Per Seconds, Millones de Instrucciones Por Segundo. Multirate Multirango. MSSP Master Synchronous Serial Port, Puerto Maestro Sincr´onicoSerie. Offset Compensaci´on. PC Program Counter, Contador de Programas. PCB Placa con el Circuito Impreso. PIC Peripheral Interface Controller, Controlador de Interfaz Perif´erico. PWM Pulse Wide Modulation, Modulaci´onde Ancho de Pulso. RAM Random Access Memory, Memoria de Acceso Aleatorio. RISC Reduced Instruction Set Computer, Set de Instrucciones de Computadora Reducido. RMS Root Mean Square, Ra´ızCuadrada del T´erminoMedio. ROM Programmable Read Only Memory, Memoria de Solo Lectura Programable. RTC Real Time Clock, Reloj en Tiempo Real. RTOS Real Time Operational System, Sistema Operativo en Tiempo Real. SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, Control Supervisi´ony Adquisi- ci´onde Datos. Shunt Corte. SMCLK Sub-System Master Clock, Reloj Maestro de Subsistema. SPI Synchronous Peripheral Interface, Interfase de Perif´ericosSincr´onicos. SVS Supply Voltage Supervisor, Supervisor de Voltaje de Alimentaci´on. TC Transformador de Corriente. Timer Cron´ometro. TTL Transistor-Transistor Logic, L´ogicaTransistor-Transistor. UART Universal Asynchronous Receive/Transmit, Transmisor/Receptor Asincr´onico Universal. USART Universal Synchronous/Asynchronous Receive/Transmit, Transmisor/Receptor Asincr´onico/Sincr´onicoUniversal. USB Universal Serial Bus, Bus Serie Universal. VLO Very Low Power Oscillator, Oscilador de Bajo Consumo. WDT Watchdog Timer, Cron´ometroperro guardi´an. mA miliamperio. MHz Megahertz. µs Microsegundos. µF Microfaradio. ηF Nanofaradio. kΩ kilo ohm. MΩ Mega ohm.

x INTRODUCCION´

El hombre desde que descubri´ola energ´ıael´ectricay todas sus potencialidades tuvo la necesidad de medirla. A ra´ızdel desarrollo alcanzado a lo largo de los a˜nosla electricidad se hizo indispensable en diferentes esferas, entre ellas la vida cotidiana, la producci´onde las f´abricasy empresas. Esta energ´ıael´ectricaconsumida era necesario medirla para luego poder cobrarla por las empresas abastecedoras, lo que trajo consigo que se convirtiera en un importante eslab´onde la econom´ıaa nivel mundial. La importancia de realizar la medici´onde energ´ıael´ectricaradica en el hecho de que este tipo de energ´ıano se puede almacenar, por lo que se hace necesario tener una medici´on exacta en los consumos de esta(Motta, 2002). Para la medici´onde la misma en 1885 Galileo Ferraris descubre el principio de fun- cionamiento de la mayor´ıade los metrocontadores utilizados en la actualidad. Los primeros metros eran mec´anicos,pero debido al auge de la electr´onicadigital se comenzaron a reali- zar importantes avances en este campo, hasta lograr que a partir de 1990 se construyeran metros capaces de leer el consumo electr´onicamente y la utilizaci´onde circuitos digitales permiti´ola acumulaci´ony representaci´onen pantallas(Smith, 2005) A partir del siglo XXI se comenz´oa dar los primeros pasos en la investigaci´onde los micro- controladores PIC para la medici´onde energ´ıael´ectricapor sus capacidades de exactitud y rapidez. Los PIC permiten no solo la medici´onde la potencia consumida, sino tambi´en las variaciones del consumo en el tiempo(Smith, 2005) En nuestro pa´ısse llevan a cabo varios cambios para mejorar las lecturas, ejemplo de esto es el cambio que se realiza en los metrocontadores electromec´anicospor otros m´asmoder- nos, la instalaci´onde medidores electr´onicosy digitales. Estos ´ultimosbrindan una mayor seguridad, fiabilidad y exactitud en la medici´on;pero no logran resolver todos los proble- mas pues no se realiza un seguimiento en tiempo real de estas mediciones, es decir, no se

1 INTRODUCCION´ 2 logra la telemetr´ıa.Estos metrocontadores digitales se instalan en empresas medianas y altas consumidoras y no en las residencias. Ya se encuentran en el mercado internacional PIC especializados en la medici´onde energ´ıa el´ectricalo que trae consigo ventajas en la medici´ony posibilidad de comunicaci´ondirecta con telemetr´ıao serie RS232 ´oRS485, entre otras, como posibilidades de realizar acciones de control. Con estas ventajas antes expuestas es muy factible y econ´omicala realizaci´on de un medidor de energ´ıael´ectricabasado en PIC. Cuba no posee una infraestructura t´ecnicapara crear un sistema de medici´onde energ´ıa el´ectricacon capacidad de comunicaci´onpara consumidores de peque˜nademanda. Actual- mente se brinda una soluci´onen un proyecto de la Uni´onNacional El´ectrica(UNE) pero que posee varios riesgos al estar sus partes fundamentales distribuidas, ya que es necesario basarse en la infraestructura de medici´onexistente. Problema Cient´ıfico No existe un dispositivo de bajo costo para realizar la medici´onde energ´ıael´ectricacon todos los elementos esenciales de control autom´aticojuntos, como son: sensores, contro- ladores y actuadores. Objetivo General Dise˜node un dispositivo digital de bajo costo basado en PIC para la medici´onde energ´ıa el´ectrica,que posea capacidad de comunicaci´ony salidas de control, siendo el objetivo general planteado en el trabajo. Todo el sistema se encontrar´aempotrado en un mismo dispositivo por lo que facilita su puesta en marcha, mantenimiento y cumple con las estrategias y lineamientos que lleva a cabo Cuba con respecto al ahorro energ´etico,necesario para el desarrollo y cuidado del medio ambiente. De acuerdo con la importancia del tema a nivel nacional sobre el que se basa el proyecto la viabilidad del mismo no debe presentar ning´unproblema, pues existen los antecedentes, las condiciones y la informaci´onnecesaria para la realizaci´ondel dise˜no.

Para la confecci´ondel proyecto se tomaron como base las siguientes interrogantes cient´ıfi- cas. INTRODUCCION´ 3

1. ¿Existen dispositivos que puedan servir de base para el dise˜nodeseado anterior- mente?

2. ¿Cual ser´ıael dise˜nom´asadecuado para crear un metrocontador con capacidad de comunicaci´ony posibles salidas de control? 3. ¿Es viable el desarrollo e implementaci´ona escala nacional de un dispositivo de

bajo costo que cumpla con las estrategias y lineamientos del pa´ıs?

Para la confecci´ondel dise˜nose plantearon las siguientes tareas en respuestas de las inter- rogantes planteadas:

Selecci´onde la variante m´asadecuada seg´unla infraestructura presente en nuestro

pa´ısy estudio del PIC seleccionado Dise˜nodel hardware basado en PIC para crear un medidor de potencia con capaci- dad de comunicaci´ony salidas de control. En este caso se dise˜nar´aun protocolo de comunicaci´onRS232 entre el PIC y la computadora a partir del circuito integrado MAX232.

Propuesta del sistema de desarrollo de la programaci´ondel PIC. Validaci´ondel dise˜no,an´alisisy recomendaciones. Para la validaci´ondel dise˜nose utilizar´ala herramienta OrCAD v9.0, el cual permite la realizaci´onde la simulaci´on y el diagrama del montaje del circuito.

Confecci´ondel Informe Final

Estructura y contenido de la tesis

La tesis, posterior a esta introducci´on,incluye tres cap´ıtulos divididos por apartados, los mismos presentan un tema espec´ıficoy relacionado con los dem´as;conclusiones y re- comendaciones, referencias bibliogr´aficasy anexos. Los contenidos de los cap´ıtulos, en forma resumida, son los siguientes: Cap´ıtulo1

El primer cap´ıtuloexplica diferentes conceptos necesarios para la realizaci´onde este proyec- to y que est´anmuy relacionados con la medici´onde energ´ıael´ectrica.Adem´asse aborda INTRODUCCION´ 4 el tema de los PIC, su surgimiento, caracter´ısticas,plataformas de programaci´ony su en- trada en el mundo de la energ´ıael´ectrica.Se realiza una explicaci´onsobre la herramienta OrCAD, la cual se utilizar´aen la simulaci´ony realizaci´ondel diagrama del circuito. Cap´ıtulo2 En el cap´ıtulodos se describen todas las caracter´ısticasdel microcontrolador MSP430F449, ventajas y arquitectura del mismo. Se realizar´ael dise˜nodel medidor de energ´ıael´ectrica y se analizar´acon m´asdetalle el canal de comunicaci´onserie entre este PIC y la computa- dora utilizando el circuito integrado MAX232, realizando el dise˜nodel protocolo. Cap´ıtulo3

En el cap´ıtulotres se analiza el entorno de programaci´ony lenguaje b´asicoque presenta el MSP430F449, presentando la programaci´onb´asicadel mismo. Se analizar´ala simu- laci´ondel dise˜noutilizando el software OrCAD v9.0 con la librer´ıadel microcontrolador que se utilizar´a,esta librer´ıala ofrece la Texas Instruments, incluyendo el canal de comu- nicaci´onserie y se presentar´ael diagrama del circuito para su implementaci´onen el futuro. Cap´ıtulo1 DISPOSITIVOS DE MEDICION´ DE ENERG´IA ELECTRICA´ Y LOS PIC

En este cap´ıtulose abordan y se explican conceptos utilizados en la medici´onde energ´ıa el´ectrica.Entre ellos se pueden encontrar electricidad, redes el´ectricas,medici´onde po- tencia y dispositivos de medici´onde potencia. Se plantean las principales caracter´ısticas del hardware para dispositivos de medici´onde energ´ıael´ectricay microcontroladores PIC. Tambi´ense explica la herramienta a utilizar para la realizaci´ondel proyecto. Estos con- ceptos se relacionan con los objetivos planteados en el trabajo y son necesarios para su cumplimiento.

1.1. La medici´onde energ´ıael´ectrica.

1.1.1. Breve rese˜nadel desarrollo de la electricidad.

La electricidad (del griego elektron, lo que significa ´ambar) es un fen´omenof´ısicoque se origina por las cargas el´ectricasy su energ´ıase manifiesta en fen´omenosmec´anicos,t´ermi- cos, luminosos y qu´ımicos,entre otros. Se puede observar de forma natural en fen´omenos atmosf´ericos,por ejemplo los rayos, que son descargas el´ectricasproducidas por la trans- ferencia de energ´ıaentre la ionosfera y la superficie terrestre(Garc´ıa, 2006). La historia de la electricidad como rama de la f´ısicacomenz´ocon observaciones aisladas y simples especulaciones o intuiciones m´edicas,como el uso de peces el´ectricosen en- fermedades como la gota y el dolor de cabeza, u objetos arqueol´ogicosde interpretaci´on discutible (la bater´ıade Bagdad)(Morris, 2003).

Tales de Mileto fue el primero en observar los fen´omenosel´ectricoscuando, al frotar una barra de ´ambar con un pa˜no,not´oque la barra pod´ıaatraer objetos livianos(Rey, 1958).

5 CAP´ITULO 1 6

La electricidad es originada por las cargas el´ectricas,en reposo o en movimiento, y las in- teracciones entre ellas. Cuando varias cargas el´ectricasest´anen reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas electrost´aticas.Cuando las cargas el´ectricasest´anen movimiento rel- ativo se ejercen tambi´enfuerzas magn´eticas.Se conocen dos tipos de cargas el´ectricas: positivas y negativas. Los ´atomosque conforman la materia contienen part´ıculas sub- at´omicaspositivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones) (Torre, 2010). Tambi´ense denomina electricidad a la rama de la f´ısicaque estudia las leyes que rigen el fen´omenoy a la rama de la tecnolog´ıaque la usa en aplicaciones pr´acticas.Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corriente el´ectricapor inducci´on(fen´omeno que permite transformar energ´ıamec´anicaen energ´ıael´ectrica)se ha convertido en una de las formas de energ´ıam´asimportantes para el desarrollo tecnol´ogicodebido a su facilidad de generaci´on,distribuci´ony a su gran n´umerode aplicaciones(Torre, 2010). Las primeras aproximaciones cient´ıficasal fen´omenofueron hechas en los siglos XVII y XVIII por investigadores sistem´aticoscomo Gilbert, von Guericke, Henry Cavendish, Du

Fay, van Musschenbroek y Watson. Estas observaciones empiezan a dar sus frutos con Galvani, Volta, Coulomb y Franklin, y, ya a comienzos del siglo XIX, con Amp`ere,Fara- day y Ohm. No obstante, el desarrollo de una teor´ıaque unificara la electricidad con el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fen´omenono se alcanz´ohasta la for- mulaci´onde las ecuaciones de Maxwell (1861-1865)(Dom´ınguez, 2010). La electricidad es la base del funcionamiento de muchas m´aquinas,desde peque˜noselec- trodom´esticoshasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimis- mo de todos los dispositivos electr´onicos(Autores, 1984).

Debido a las crecientes aplicaciones de la electricidad como vector energ´etico,como base de las telecomunicaciones y para el procesamiento de informaci´on,uno de los principales desaf´ıos contempor´aneoses generarla de modo m´aseficiente y con el m´ınimo impacto ambiental. CAP´ITULO 1 7

1.1.2. Surgimiento y necesidad de las redes el´ectricas.

La generaci´ony transporte de la energ´ıael´ectricatiene importantes ventajas econ´omicas, dadas por el relativo bajo costo por unidad de energ´ıagenerada. La gran importancia de la generaci´onde la electricidad, es que esta se puede distribuir con gran facilidad, a grandes distancias del sitio donde se gener´o.Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna (aunque existen casos de transmisi´ona corriente continua de alta tensi´on,lo que conduce a menores p´erdidas),ya que es f´acilreducir o elevar la tensi´oncon transformadores. De esta forma cada parte del sistema puede funcionar con la tensi´onapropiada(Autores, 2002). Debido a la importancia de la energ´ıael´ectrica,el suministro es vital para el desarrollo de los pa´ıses y de inter´espara los gobiernos nacionales, por lo que estos cuentan con instituciones especializadas en el seguimiento de las tres etapas fundamentales: generaci´on, transmisi´ony distribuci´on,un diagrama de estas tres etapas se muestra en la figura 1–1.

Figura 1–1: Diagrama esquem´aticodel sistema de suministro el´ectrico.

La red de transporte es la parte del sistema constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a trav´esde grandes distancias la energ´ıagenerada en las centrales el´ectricas.Para ello, los vol´umenesde energ´ıael´ectricaproducidos deben ser transformados, elev´andosesu nivel de tensi´on.Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar el voltaje se reduce la intensidad de corriente el´ectricaque circular´a,reduci´endoselas p´erdidaspor efecto Joule(Mundial, CAP´ITULO 1 8

1992)(GreenFacts, 2004). Con este fin se emplean subestaciones elevadoras con equipos el´ectricosdenominados trans- formadores. De esta manera, una red de transmisi´onopera usualmente con voltajes del orden de 220 kV y superiores, denominados alta tensi´on,de 440 kV (Mundial, 1992)(Green-

Facts, 2004).

Parte fundamental de la red son las l´ıneasde alta tensi´on,estas son el medio f´ısicomedi- ante el cual se realiza la transmisi´onde la energ´ıaa grandes distancias. Est´aconstituida tanto por el elemento conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte, las torres de alta tensi´on.Los cables de alta tensi´onest´ansujetos a tracciones causadas por la combinaci´onde agentes como: el viento, la temperatura del conductor y la temperatura del aire. El voltaje y la capacidad de la l´ıneade transmisi´on afectan el tama˜node estas estructuras principales (Mundial, 1992)(GreenFacts, 2004). El impacto ambiental potencial de las l´ıneasde transmisi´onincluye la red de distribu- ci´on,las subestaciones y los caminos de acceso o mantenimiento. Las estructuras prin- cipales de la l´ıneade transmisi´onson la l´ıneamisma, los conductores, las torres y los soportes(Mundial, 1992). Los impactos ambientales negativos de las l´ıneasde transmisi´onson causados por la cons- trucci´on,operaci´ony mantenimiento de las mismas. Al colocar l´ıneasa baja altura o ubi- carlas pr´oximasa ´areascon actividades humanas se incrementa el riesgo de electrocuci´on. Normalmente, las normas t´ecnicasreducen este peligro. Las torres y las l´ıneasde trans- misi´onpueden interrumpir la trayectoria de vuelo de los aviones cerca de los aeropuertos y poner en peligro las naves que vuelan muy bajo, especialmente, las que se emplean para actividades agr´ıcolas(Mundial, 1992)(GreenFacts, 2004). La red de distribuci´ones un componente del sistema de suministro, siendo responsabilidad de las empresas distribuidoras. La distribuci´onde la energ´ıael´ectricadesde las subesta- ciones de transformaci´onde la red de transporte se realiza en dos etapas. La primera est´aconstituida por la red de reparto, que, partiendo de las subestaciones de transfor- maci´on,reparte la energ´ıa,normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros CAP´ITULO 1 9 de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribuci´on.Las tensiones utilizadas est´ancomprendidas entre 25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos est´anlas estaciones transformadoras de distribuci´on,encargadas de reducir la tensi´ondesde el nivel de reparto al de distribuci´onen media tensi´on. La segunda etapa la constituye la red de distribuci´onpropiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una disposici´onen red radial. Esta red cubre la super- ficie de los grandes centros de consumo (poblaci´on,industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribuci´oncon los centros de transformaci´on,que son la ´ultimaetapa del suministro en media tensi´on,ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensi´on(125/220 o 220/380)(Guerrero, 2003). Como sistemas de protecci´onse utilizan conductores aislados, fusibles, seccionadores en carga, seccionalizadores, reconectadores, interruptores, antenas pararrayos, autov´alvulas pararrayos y protecciones secundarias asociadas a transformadores de medida, como son rel´esde protecci´on(Hern´andez, 2009).

1.1.3. Necesidad e importancia de la medici´onde energ´ıael´ectrica.

En nuestros d´ıases dif´ıcilimaginarse la vida de la humanidad sin el empleo de la energ´ıa el´ectrica.El nivel de desarrollo de un pa´ısesta muy relacionado con la capacidad que tenga este de generar, transmitir y distribuir la energ´ıael´ectrica.Para Cuba es fundamental que todo el proceso vinculado con la generaci´ony el consumo de energ´ıael´ectricase realice de forma eficiente, ya que, por una parte, no posee grandes recursos econ´omicosy naturales, y por otra, a causa de consideraciones ambientalistas. Esto adquiere gran relevancia, si se tiene en cuenta, adem´as,que la pol´ıticadel gobierno revolucionario, siguiendo el Programa del Moncada, se ha encaminado a hacer llegar la energ´ıael´ectricaa la totalidad de los asentamientos poblacionales, tarea que ha requerido de grandes esfuerzos e inversiones

(Autores, 2002).

Los aparatos el´ectricoscuando est´anfuncionando generan un consumo de energ´ıael´ectrica en funci´onde la potencia que tengan y del tiempo que est´enen funcionamiento. El kWh es la unidad de energ´ıaen la que se factura normalmente el consumo dom´esticoo industrial de CAP´ITULO 1 10 electricidad. Equivale a la energ´ıaconsumida por un aparato el´ectricocuya potencia fuese un kW y estuviese funcionando durante una hora. Para la realizaci´onde esta medici´onse utiliza un dispositivo llamado metrocontador de energ´ıael´ectrica.Esta energ´ıael´ectrica consumida es necesario medirla para luego poder cobrarla por las empresas abastecedoras, lo que trajo consigo que se convirtiera en un importante eslab´onde la econom´ıaa nivel mundial (Romero, 2009). Dado el elevado costo de la energ´ıael´ectricay las dificultades que existen para cubrir la demanda mundial de electricidad y el efecto nocivo para el medio ambiente que supone la producci´onmasiva de la misma; se impone la necesidad de aplicar la m´aximaeficiencia energ´eticaposible en todos los usos que se haga de la energ´ıael´ectrica.Con la medici´on de la misma se puede tener una noci´onde en qu´elugar se est´aderrochando o malgastando y as´ıtomar medidas para remediar el problema.

1.2. Caracter´ısticasdel hardware para dispositivos de medici´onde energ´ıa el´ectrica.

En la actualidad se esta llevando a cabo una enorme revoluci´onen la industria de la energ´ıael´ectrica,los dispositivos medidores electromec´anicosde energ´ıautilizados en la mayor parte del siglo est´ansiendo reemplazados por medidores electr´onicosy digitales, los cuales presentan una mayor exactitud entre otras ventajas.

1.2.1. El metrocontador electrom´ecanico.

En 1885, Galileo Ferraris descubri´oque una armadura s´olidacolocada en un campo magn´eticode corriente alterna girar´ıaa una raz´onproporcional al flujo de energ´ıael´ectrica en las bobinas que generan el campo. Este descubrimiento es el principio en el cual se basan la mayor cantidad de medidores electromec´anicosde energ´ıaque est´anen funcionamiento en la actualidad. En el metrocontador t´ıpico,una armadura s´olidaest´amontada en una base con joyas para disminuir el desgaste y que pueda girar libremente en un contenedor sellado. Las bobinas ejercen el campo magn´eticode corriente alterna proporcional a la cantidad de potencia que circula a trav´esdel metro y un contador detecta la cantidad de vueltas hechas por el CAP´ITULO 1 11 disco, mostrando as´ıpor medio de un dispositivo mec´anicoel consumo de energ´ıael´ectrica existente (Smith, 2005).

1.2.2. El metrocontador electr´onico.

Los medidores electr´onicosofrecen mayor seguridad, eficiencia y flexibilidad para la medi- ci´onde diferentes par´ametros,y no solamente de energ´ıa.Estos equipos poseen memoria no vol´atilpara almacenar datos referidos al comportamiento del sistema, que permiten realizar un seguimiento del mismo. Tambi´enest´anadaptados para implementar un sistema de energ´ıaprepaga, este sistema permite un mejor control por fraude o hurto de energ´ıa.Para poder distinguir los medidores en cuanto a su prop´osito,se los puede agrupar de la manera siguiente:

1. Considerando el sistema de la red a trav´esde la cual se utiliza la energ´ıa: Medidores monof´asicos.

Medidores trif´asicos. 2. Considerando el tipo de receptor cuyo funcionamiento influye en la tarifa: Medidores de energ´ıaactiva, reactiva o aparente. 3. Considerando el horario de utilizaci´ony la m´aximacarga de corta duraci´on:

Medidores de tarifa m´ultipley de demanda m´axima.

A pesar del constante desarrollo que han tenido los medidores electromec´anicosen las

´ultimasd´ecadas,los metrocontadores electr´onicosest´anabarcando el mercado porque no solo realizan la misma funci´onque los anteriores, sino que no cuentan con partes m´ovileso electromec´anicas,evitando el error por desgastes y deformaciones. Tienen m´asprestaciones porque miden energ´ıaactiva, reactiva y aparente, la demanda m´axima,doble y multi- tarifa. Miden la tensi´onde l´ınea,la corriente que est´acirculando, el factor de potencia, y otras caracter´ısticasde la red, que determinan un par´ametroglobal denominado calidad de energ´ıa.La medici´onde la energ´ıael´ectricay el registro se realizan por medio de un proceso an´alogo-digital(sistema totalmente electr´onico)utilizando un microprocesador

(Motta, 2002). CAP´ITULO 1 12

1.2.3. El metrocontador digital.

Presenta todas las ventajas que gozan los medidores electr´onicosadem´asde otras funciones, como la posibilidad de conexi´ona sistemas SCADA sin la necesidad de incorporar costosas caracter´ısticasextras. Presentan varios protocolos de comunicaci´oncomo por ejemplo:

Protocolo DNP usando conexi´onRS-232/RS-485.

Protocolo C12.19/21 ANSI usando conexi´onRS-232/RS-485.

Protocolo Modbus con conexi´onRS-232/RS-485.

Tambi´enpresentan otras caracter´ısticaspara la medici´oncomo:

Amplio rango de medici´onde voltaje.

An´alisisdel voltaje, corriente, rango de arm´onicosde cada fase y ´angulode fase.

Medici´onde potencia activa/reactiva y factor de potencia. Medici´onde m´aximademanda y raz´onde calidad de voltaje. Capacidad de almacenamiento. Grabaci´onde eventos como falla total de la fase, falla parcial y p´erdidasde co- rriente.

Puede ser usado para la medici´ontrif´asicaque presente varios formatos de l´ıneas (3 ´o4 l´ıneas).

Son utilizados principalmente para grandes consumidores como plantas de potencia, subesta- ciones, medici´onde energ´ıaactiva, reactiva y monitores de arm´onicos.

1.3. Microcontroladores PIC.

1.3.1. ¿Qu´ees un PIC?

Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Tech- nology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollados por la divisi´onde micro- electr´onicade General Instrument.

El PIC original se dise˜n´opara ser usado con la nueva CPU de 16 bits CP16000. Siendo en general una buena CPU, esta ten´ıabajas prestaciones de E/S, y el PIC de 8 bits se CAP´ITULO 1 13 desarroll´oen 1975 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la mis- ma. El PIC utilizaba microc´odigosimple almacenado en ROM para realizar estas tareas; y aunque el t´erminono se usaba por aquel entonces, se trataba de un dise˜noRISC que ejecuta una instrucci´oncada 4 ciclos del oscilador. En 1985 la divisi´onde microelectr´onicade General Instrument se separa como compa˜n´ıa independiente que es incorporada como filial (el 14 de diciembre de 1987 cambia el nombre a Microchip Technology y en 1989 es adquirida por un grupo de inversores) y el nuevo propietario cancel´ocasi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayor´ıa estaban obsoletos. El PIC sin embargo, se mejor´ocon EPROM para conseguir un controlador de canal programable.

1.3.2. Caracter´ısticasde un PIC

La arquitectura del PIC est´acaracterizada por las siguientes prestaciones:

Area´ de c´odigoy de datos separadas (Arquitectura Harvard).

Un reducido n´umerode instrucciones de largo fijo. La mayor´ıade las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo de ejecuci´on(4 ciclos de reloj), con ciclos de ´unicoretraso en las bifurcaciones y saltos.

Un acumulador. Todas las posiciones de la RAM funcionan como registros de origen y/o destino de operaciones matem´aticasy otras funciones.

Un stack o pila de memoria para almacenar instrucciones de regreso de funciones. Una relativa peque˜nacantidad de espacio de datos direccionables (t´ıpicamente, 256 bytes), extensible a trav´esde manipulaci´onde bancos de memoria. El espacio de datos est´arelacionado con la CPU, puertos, y registros de los perif´eri- cos.

El contador de programa est´atambi´enrelacionado dentro del espacio de datos, y

es posible escribir en ´el(permitiendo saltos indirectos). CAP´ITULO 1 14

A diferencian de la mayor´ıade otros CPU, no hay distinci´onentre los espacios de memoria y los espacios de registros, ya que la RAM cumple ambas funciones, y esta es normalmente referida como archivo de registros o simplemente registros. Los PIC actuales vienen con una amplia gama de mejoras de hardware incorporadas como son:

N´ucleosde CPU de 8/16 bits con Arquitectura Harvard modificada.

Memoria Flash y ROM disponible desde 256 bytes (B) a 256 kilobytes (KB).

Puertos de E/S (t´ıpicamente 0 a 5,5 voltios). Temporizadores de 8/16 bits. Tecnolog´ıaNanowatt para modos de control de energ´ıa.

Perif´ericosserie sincr´onicosy asincr´onicos:USART, AUSART, EUSART.

ADC de 8-10-12 bits. Comparadores de tensi´on. M´odulosde captura y comparaci´onPWM. Controladores LCD. Perif´ericoMSSP para comunicaciones I2C, SPI, y I2S.

Memoria EEPROM interna con duraci´onde hasta un mill´onde ciclos de lec- tura/escritura.

Perif´ericosde control de motores. Soporte de interfaz USB. Soporte de controlador Ethernet. Soporte de controlador CAN.

Soporte de controlador LIN. Soporte de controlador Irda.

1.3.3. ¿C´omoprogramarlos y en qu´eentornos hacerlo?

El PIC usa un conjunto de instrucciones tipo RISC, cuyo n´umeropuede variar desde 35 para PIC de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y CAP´ITULO 1 15 una posici´onde memoria, instrucciones de condicionamiento y de salto/retorno, imple- mentaci´onde interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada sleep (dormir). Para transferir el c´odigode un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llama- do programador. La mayor´ıade los PIC que Microchip distribuye hoy en d´ıaincorporan

ICSP o LVP, lo que permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Existen muchos programadores de PIC, desde los m´assimples que dejan al software los detalles de comunicaciones, a los m´ascomplejos, que pueden verificar el dispositivo a diver- sas tensiones de alimentaci´one implementan por hardware casi todas las funcionalidades.

Muchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos PIC preprogramados como interfaz para enviar las ´ordenesal PIC que se desea programar. Uno de los pro- gramadores m´assimples es el TE20, que utiliza la l´ıneaTX del puerto RS232 como ali- mentaci´ony las l´ıneasDTR y CTS para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador est´aen modo programaci´on.

La programaci´onse realiza en lenguaje ensamblador, el mismo permite desarrollar pro- gramas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versi´ongratuita para los microcontroladores m´as populares. En cuanto al entorno de programaci´onexisten varios como por ejemplo:

El software de programaci´onICprog. Entornos de programaci´onbasados en int´erpretesBASIC. Este entorno permite que el c´odigofinal sea traducido directamente a .HEX, con lo que disponemos f´acilmente de programas bastante r´apidos,al nivel de m´aquina.

Microchip proporciona un entorno de desarrollo freeware llamado MPLAB que incluye un simulador software y un ensamblador. Otras empresas desarrollan com-

piladores C y BASIC. CAP´ITULO 1 16

Para el lenguaje de programaci´onPascal existe un compilador de c´odigoabierto, JAL, lo mismo que PicForth para el lenguaje Forth.

GPUTILS es una colecci´onde herramientas distribuidas bajo licencia GPL que incluye ensamblador y enlazador, y funciona en Linux, MacOS y Microsoft Win- dows.

GPSIM es otra herramienta libre que permite simular diversos dispositivos hard- ware conectados al PIC.

A continuaci´onse presenta un grupo de programas para realizar la programaci´oncon sus respectivos perif´ericospara dar salida a los datos:

PICStart Plus (puerto serie y USB). Promate II (puerto serie). MPLAB PM3 (puerto serie y USB). ICD2 (puerto serie y USB).

PICKit 1 (USB). IC-Prog 1.06B. PICAT 1.25 (puerto USB2.0 para PIC y Atmel). WinPic 800 (puerto paralelo, serie y USB). PICKit 2 (USB).

PICKit 3 (USB). Terusb1.0.

Eclipse (PIC y AVRs. USB.).

1.3.4. PIC especializados en la medici´onde energ´ıael´ectrica.

A medida que se ha ido desarrollando la electr´onicadigital nuevas metas se han trazado para los microcontroladores, y la medici´onde energ´ıael´ectricaforma parte de la revoluci´on que se est´allevando a cabo. Hasta nuestros d´ıaslos medidores existentes (electromec´anicos, electr´onicosy digitales) no logran resolver todas las situaciones que se presentan.

Entre los problemas m´assignificativos se encuentran, en qu´emomento se consume m´as CAP´ITULO 1 17 energ´ıa,pues la demanda no es constante en el tiempo; algunos medidores solo miden la potencia real, que en un mundo ideal es lo ´unicoque hiciera falta pues la corriente y el voltaje viajan con la misma fase, pero existen dispositivos como motores inductivos o balastros de l´amparasfluorescentes que producen que la corriente viaje fuera de fase con respecto al voltaje. Solo la componente de fase es energ´ıautilizable, las dem´ascomponentes son reflectadas nuevamente a la red el´ectrica.Como resultado de esto en la vida real solo se utilizan unos pocos watt con respecto a la cantidad de energ´ıaque se entrega (Smith,

2005). Otro problema aparece al leer el medidor y hacer la entrega del total de energ´ıael´ectrica utilizada a la empresa suministradora. En nuestro pa´ıscomo en muchos otros del mundo esta tarea la realiza una persona, esto trae como consecuencia la posibilidad de que existan errores en las lecturas, adem´asde ser un costo adicional para la empresa (Smith, 2005). Los requisitos para el aumento de la flexibilidad en la medici´ondel uso de energ´ıael´ectrica por tiempo y factor de potencia, velocidad de lectura mejorada y exactitud, combinadas con la expectativa de fiabilidad que presentan los metros actuales, sugieren la necesidad de un medidor de energ´ıael´ectricabasado en un microcontrolador PIC (Smith, 2005). Los componentes del hardware de un medidor multirate y multifunci´onson simples:

Tomar muestras del voltaje de entrada y la corriente a trav´esdel medidor. Un mecanismo de display. Un subsistema de comunicaciones. Una memoria no vol´atil. Un suministro de energ´ıa.

Un microcontrolador con un programa almacenado para conservar todo sin pro- blemas.

La ventaja que nos ofrecen los PIC es que la mayor´ıade estos componentes pueden ser encontrados integrados en el microcontrolador. En el mercado se pueden encontrar mi- crocontroladores capaces de realizar estas mediciones, entre ellos se encuentra el MSP430 de 16 bits de Texas Instruments, el cual presenta caracter´ısticasde medidor monof´asico, CAP´ITULO 1 18 trif´asicoy de bajo consumo. Presenta arquitectura cl´asicaVon Neumann, permitiendo que la CPU posea un espacio ´unicopara el direccionamiento de memoria y un conjunto reducido de instrucciones (Chan, 2008)(Instruments, 2010)(Schauer, 2004)(Bierl, 2000). El PIC16F84 en conjunto con el circuito integrado ADE7753, ADE7756 de Analog Devices o ADE7755 del mismo fabricante, entre otros. El microcontrolador MAXQ3120 presenta un gran desempe˜no,con CPU de 16 bits, dos conversores A/D de 16 bits, driver de LCD incorporado, posibilidad de utilizar dos timer (cronometrador) de 16 bits con PWM y UART. Trabaja con un voltaje de 3.3 V y reloj interno de 8 MHz, se especializa en la medici´onde energ´ıamonof´asica,presenta varias potencialidades en la medici´onde voltaje pues en el canal de entrada se puede utilizar un divisor resistivo o un transformador de potencia, como sensor de corriente se puede usar un transformador de corriente o shunt resistivo; adem´aspresenta un reloj en tiempo real con precisi´onde d´ıas. Como interfase de salida se puede utilizar tanto el driver de representaci´onen pantalla LCD, infrarrojo (modulador interno), como una interfase UART o SPI. Se le pude adi- cionar hardware para la implementaci´onde comunicaci´onserie por RS485.

1.4. Herramientas utilizadas para el trabajo.

1.4.1. Software OrCAD.

Como herramienta principal para el cumplimiento del proyecto se utilizar´ael software Or- CAD v9.0. OrCAD es una l´ıneade productos para la fabricaci´onde dise˜noselectr´onicos, entre los productos que presenta este software se encuentra el OrCAD Capture, OrCAD PCB Editor, SPECCTRA y el PSpice A/D. Se utiliza para simular circuitos electr´onicoscomplejos integrando desarrollos realiza- dos con microcontroladores de varios tipos, es una herramienta de alto desempe˜nocon muy buenas capacidades gr´aficas.Presenta una filosof´ıade trabajo semejante al software SPICE, arrastrando componentes de una barra e incrust´andolosen la aplicaci´on.A con- tinuaci´onse trataran los principales productos del software OrCAD por separado para lograr as´ıun mejor entendimiento del mismo (Cadence, 1998a)(Cadence, 1998b)(Cadence, CAP´ITULO 1 19

1998c). OrCAD Capture CIS El Programa OrCAD Capture CIS, presenta una alta resoluci´on,edici´onv´ıa Web de componentes, f´acilconexi´on,jerarquizador de esquem´aticos,desarrollador y soporte de componentes interactivo (Cadence, 1998a).

OrCAD PSpice Este producto es el encargado de la simulaci´onde los circuitos electr´onicoscon un alto nivel. Esto se logra pues presenta la capacidad de simulaci´onseg´unel comportamiento de cada componente, m´asde 10000 modelos de simulaci´on,soporte de notaci´oncient´ıfica jerenciador de s´ımbolos y simulador maestro (Cadence, 1998c). Una de las peculiaridades de PSpice es la forma de introducirle un circuito electr´onico, ya que no se trabaja con esquemas ni gr´aficosrepresentativos del mismo. Los circuitos se describir´anen ficheros de texto, formados por una serie de sentencias que enumeran todos y cada uno de los componentes, as´ıcomo: los an´alisisa realizar, forma de presentaci´onde los resultados y formas de onda a visualizar (Cadence, 1998c). En PSpice es muy frecuente el empleo de modelos, que se utilizan para definir el valor de los distintos par´ametrosde los elementos usados en el circuito. En algunos casos su uso es opcional y en otros es obligatorio. As´ı,para los elementos pasivos, los modelos son opcionales, y para los elementos semiconductores son necesarios, aunque todos los par´ametrosde los modelos tienen asignado un valor por defecto, el cual ser´ael utilizado

(Cadence, 1998c). Existen ocho an´alisisdiferentes para los circuitos implementados en PSpice, que son:

1. An´alisisen corriente continua. 2. C´alculodel punto de trabajo del circuito.

3. C´alculode la funci´onde transferencia para peque˜nase˜nal. 4. C´alculode la sensibilidad en continua.

5. C´alculode la respuesta en frecuencia.

6. C´alculodel ruido total e individual. CAP´ITULO 1 20

7. Respuesta transitoria (comportamiento en el tiempo). 8. An´alisisde Fourier de la respuesta transitoria.

Dise˜nadorde PCB OrCAD Este producto es un editor de PCB, el mismo presenta definici´onautom´aticade carac- ter´ısticasy propiedades el´ectricasy cambio del orden del Layer, salidas de archivos Gerber, fabricaci´onde PCB de forma interactiva, m´etodo de selecci´onde objetos seg´unsu densi- dad, entre otras (Cadence, 1998b).

Editor de PCB OrCAD Entre sus principales caracter´ısticasse encuentran el posicionamiento de componentes de forma manual o autom´atico,el dise˜noconfigurado por el usuario, correcci´oninteractiva de configuraci´onde pistas y v´ıasdel layer y auto continuaci´onde pistas ya generadas, entre otras (Cadence, 1998b). Explorador de se˜naldel OrCAD Esta caracter´ıstica se basa en la tecnolog´ıa Allegro con la simulaci´onde las variables involucradas en un PCB (Cadence, 1998b).

1.5. Conclusiones del Cap´ıtulo.

1. Se ha tratado hasta el momento la importancia de la medici´onel´ectricade forma fiable y exacta para lograr una mejor eficiencia y ahorro energ´etico.Se presentaron las principales problem´aticasa resolver con el dise˜noplanteado, las mejoras y ventajas que tendr´aeste nuevo medidor de energ´ıabasado en PIC.

2. El an´alisisrealizado sobre la herramienta OrCAD es indispensable para el posterior conocimiento de c´omofunciona el dise˜noy si el mismo cumple cabalmente con las exigencias y estrategias tomadas por el gobierno revolucionario para lograr un desarrollo sostenible.

3. El conocimiento te´oricoobtenido en este cap´ıtulobrinda una buena base para la se-

lecci´ondel PIC m´asadecuado, tomando tambi´enen consideraci´onotros elementos

que se ver´anen el cap´ıtulosiguiente. Cap´ıtulo2 ESTUDIO DEL MICROCONTROLADOR MSP430F449 Y DISENO˜ DEL HARDWARE DEL MEDIDOR DE ENERG´IA ELECTRICA´

En este cap´ıtulose realiza una comparaci´ony se explican las principales caracter´ısticas que presenta el microcontrolador MSP430F449. Se abordan temas como: los perif´ericos que posee, la implementaci´ondel software del mismo y el cron´ometrode interrupci´on. Con respecto a la medici´onde corriente y voltaje se explica el funcionamiento, as´ıcomo la compensaci´onde fase, medici´onde frecuencia y generaci´onde pulsos LED. Se desar- roll´oel dise˜nodel hardware del dispositivo de medici´onde energ´ıael´ectricay se presenta el diagrama circuital del mismo.

2.1. Comparaci´ondel Microcontrolador MSP430F449 con otros microcontroladores

Es dif´ıcilllegar a una comparaci´onconclusiva de desempe˜noentre dos procesadores in- crustados de diferentes arquitecturas. Para empezar tenemos que definir el significado de desempe˜no.Por ejemplo, esta podr´ıaser la frecuencia en la cual una tarea particular c´omo el control de un motor puede ser realizada. Tal tarea t´ıpicamente incluir´ıalatencia de in- terrupci´on,desempe˜noperif´erico,velocidad de acceso a memoria, b´usquedade tablas y la eficiencia en los c´alculosmatem´aticos.Utilizando esta definici´onse logran mucho m´as datos confiables que solo la comparaci´onde la CPU. Alternativamente existe una medici´onm´asabstracta desde el punto de vista de la cantidad de MIPS, pero esta medida es particularmente inutilizable cuando estamos en presencia de diferentes arquitecturas como RISC y CISC, o las arquitecturas con y sin cache, o al comparar sistemas de programas en un lenguaje de alto nivel.

21 CAP´ITULO 2 22

En la tabla 2–1 se presenta una prueba para mostrar informaci´onpr´acticaque puede ser usada en el proceso de comparaci´on.La prueba fue realizada utilizando herramientas de desarrollo que son utilizadas por sistemas reales incrustados de programaci´onaplicada.

Tabla 2–1: Comparaci´onentre el MSP430F449 y otros microcontroladores Prueba MSP430 AVR/IAR PIC Adici´onde 16 bits 27 µs 55,2 µs 71,6 µs Multiplicaci´onde 16 bits 72,4 µs 71,4 µs 193 µs Divisi´onde 16 bits 480 µs 536 µs 940 µs Multiplicaci´onde 32 bits 182 µs 180 µs 344 µs Sustracci´onde 32 bits 57,2 µs 88,1 µs 76,4 µs Tipo Burbuja 992 µs 834 µs 3,33 ms Comparaci´on y movimiento de 6,75 ms 7,9 ms 12,4 ms bloques de memoria Parada condicional para proceder 131,2 µs 245,6 µs 169 µs Pushing y Popping 314 µs 258 µs 412 µs

2.2. Caracter´ısticasdel Microcontrolador MSP430F449

Este microcontrolador presenta una CPU RISC de 16 bits, est´ancombinados perif´ericos y un sistema flexible de reloj utilizando una arquitectura Von-Neumann (figura 2–1) con MAB com´uny MDB. Adem´asla CPU est´aoptimizada y asociada con mapeo modular anal´ogicode memoria y perif´ericosdigitales. La arquitectura ortogonal del MCU provee la flexibilidad de 16 bits completamente direccionables, registros de un solo ciclo de 16 bits y el poder brindado por la arquitectura RISC. El dise˜nomoderno de la CPU ofrece versatilidad usando s´olo27 instrucciones de n´ucleoy siete modos de direccionamientos. CAP´ITULO 2 23

Figura 2–1: Arquitectura VonNeumann del MSP430F449.

Esto resulta en una CPU de 16 bits de bajo consumo con m´asprocesamiento efectivo, de tama˜nom´aspeque˜no,y m´aseficiente en c´odigoque otros microcontroladores de 8 y 16 bits. Est´adise˜nadoespec´ıficamente para aplicaciones de bajo consumo, un sistema de cronometrado flexible, m´ultiplesmodos operativos y un consumo de cero siempre que ocurra la reanudaci´on(BOR) est´animplementados para reducir el consumo de potencia y aumentar la vida de la bater´ıa.La funci´onBOR est´asiempre activa en todos los mo- dos de bajo consumo para asegurar el desempe˜nom´asfidedigno posible, adem´ascon los registros de 16 bits y los buses de datos y direccionamiento de memoria minimizan la potencia consumida en la utilizaci´onde la memoria y una estructura r´apidade vectores de interrupci´onreduce la necesidad de desperdiciar tiempo de CPU en la utilizaci´onde banderas de encuesta. Las caracter´ısticasde los perif´ericosde hardware presentes en este microcontrolador fueron tambi´endise˜nadaspara permitir la culminaci´onde las tareas de forma m´aseficiente in- dependientemente de la CPU. El sistema de reloj MCU del MSP430F449 est´adise˜nado especialmente para aplicaciones donde se utilice la bater´ıacomo fuente de consumo. M´ulti- ples osciladores son utilizados para dar soporte a actividades de manejo de eventos, un ACLK de baja frecuencia es manejado directamente por un cristal de 32 kHz o por el

VLO interno. Una funci´onmuy importante del ACLK es de despertador propio del reloj de tiempo real de fondo, un DCO de alta velocidad sirve de fuente para el MCLK utilizado CAP´ITULO 2 24 por la CPU y el reloj secundario el cual es usado por los perif´ericosde altas velocidades. Por dise˜noel DCO se encuentra activo y estable en 1µs(F2xx) ´o < 6µs(x1xx, x4xx, F5xx).

En la figura 2–2 se presenta el diagrama funcional del MSP430F449 y en la figura 2–3 la distribuci´onde pines.

Figura 2–2: Diagrama funcional del MSP430F449. CAP´ITULO 2 25

Figura 2–3: Distribuci´onde pines del MSP430F449.

En el anexo 1 se puede apreciar la funci´onde cada uno de estos terminales del microcon- trolador.

2.2.1. CPU

La CPU del MSP430F449 presenta una arquitectura RISC de 16 bits altamente transpar- ente a las aplicaciones, todas las operaciones son realizadas por operaciones de registros en conjunto con los siete modos de direccionamiento para operadores de fuentes y cua- tro modos de direccionamiento para operadores de destino. La CPU est´aintegrada por

16 registros que proveen un reducido tiempo de ejecuci´onde instrucciones, el tiempo de operaci´onregistro-registro es un ciclo del reloj de la CPU; cuatro de los registros, de R0 CAP´ITULO 2 26 hasta R3, est´andedicados a contador de programas, puntero de pila, registro de estado y generador de constantes. Los registros restantes son de prop´ositosgenerales. Los perif´ericosque se conecten pueden utilizar datos, direcciones, buses de control y pueden ser manejados con todas las instruc- ciones existentes. En la figura 2–4 se muestran estos registros de la CPU con sus respectivas funciones.

Figura 2–4: Registros del PIC MSP430F449.

2.2.2. Set de Instrucciones

El set de instrucciones consta de 51 instrucciones con tres formatos y siete modos de direccionamientos. Cada instrucci´onpuede operar en forma de datos byte o palabra. En la tabla 2–2 se muestran los modos de direccionamientos. CAP´ITULO 2 27 Tabla 2–2: Descripci´onde los Modos de Direccionamientos.

Modos de Direc- F D Sintaxis Ejemplo Operaci´on cionamientos

Registros • • MOV Rs,Rd MOV R10,R11 R1099K R11

Indexado • • MOV X(Rn),Y(Rm) MOV 2(R5),6(R6) M(2+R5)99K M(6 + R6)

Simb´olico • • MOV EDE,TONY M(EDE)99K M(TONY )

Absoluto • • MOV &MEM,&TCDAT M(MEM)99K M(T CDAT )

Indirecto • MOV @Rn,Y(Rm) MOV @R10,Tab(R6) M(R10)99K M(T ab + R6)

Autoincremento M(R10)99K R11 • MOV @Rn+,Rm MOV @R10+,R11 Indirecto R10+299K R10

Inmediato • MOV #X,TONY MOV #45,TONI #X99K M(TONY )

Para un mejor entendimiento del set de instrucciones se puede separar en 27 instrucciones de n´ucleoy 24 emuladas. Las instrucciones de n´ucleoson instrucciones que poseen un ´unicoc´odigo,el cual es decodificado por la CPU. Las instrucciones emuladas presentan un c´odigof´acilpara la escritura y lectura, y son reemplazadas autom´aticamente por el ensamblador con su respectiva instrucci´onde c´odigo. Existen tres tipos de formatos de instrucciones de n´ucleo:

Operando doble

Operando simple Saltos

Todas las instrucciones tanto de simple o doble operando pueden ser de tipo byte o palabra utilizando las extensiones “.B” o “.W”. Las instrucciones tipo byte son utilizadas para el acceso a datos o perif´ericostipo byte y sucede lo mismo con las instrucciones de palabra. En el caso de que no se especifique el tipo de instrucci´onpor defecto se utiliza la de tipo palabra. Tanto el destino como la fuente de cada instrucci´onse definen por los siguientes campos:

Src

• El operando fuente definido por As y S-reg. CAP´ITULO 2 28

Dst • El operando destino definido por Ad y D-reg.

As • El bit de direccionamiento responsable por el modo de direccionamiento usado por la fuente.

S-reg • El registro de trabajo utilizado por la fuente.

Ad • El bit de direccionamiento responsable por el modo de direccionamiento para

el destino.

D-reg • El registro de trabajo usado para el destino. B/W • Operaci´onbyte o palabra.

◦ 0: operaci´onpalabra.

◦ 1: operaci´onbyte.

Instrucciones de doble operando

El formato de este tipo de instrucciones se muestra en la figura 2–5:

Figura 2–5: Formato de instrucciones de doble operando.

En la tabla 2–3 se muestran las instrucciones de doble operando. CAP´ITULO 2 29 Tabla 2–3: Instrucciones de doble operando.

S-Reg, Bits de Estados Nem´onico Operaci´on D-Reg V N Z C

MOV(.B) src,dst src→ dst ---- ADD(.B) src,dst src+dst→ dst **** ADDC(.B) src,dst src+dst+C→ dst **** SUB(.B) src,dst dst+.not.src+1→ dst **** SUBC(.B) src,dst dst+.not.src+C→ dst ****

CMP(.B) src,dst dst-src * * * * DADD(.B) src,dst dst+.not.src+C→ dst(decimal)**** BIT(.B) src,dst src .and. dst 0 * * * BIC(.B) src,dst .not.src .and. dst→ dst ---- BIS(.B) src,dst src .or. dst→ dst ---- XOR(.B) src,dst src .xor. dst→ dst **** AND(.B) src,dst src .and. dst→ dst 0 * * *

* El bit de estado es afectado - El bit de estado no es afectado

0 El bit de estado tiene valor 0 1 El bit de estado tiene valor 1

Instrucciones de simple operando

En la figura 2–6 se muestra el formato de las instrucciones de simple operando.

Figura 2–6: Formato de instrucciones de simple operando.

En la tabla 2–4 se muestran las instrucciones de simple operando. CAP´ITULO 2 30 Tabla 2–4: Instrucciones de doble operando.

S-Reg, Bits de Estados Nem´onico Operaci´on D-Reg V N Z C

RRC(.B) dst C→ MSB → . . . LSB → C **** RRA(.B) dst MSB→ MSB → . . . LSB → C 0 * * * PUSH(.B) src SP-2→ SP, src → @SP ---- SWPB(.B) dst intercambiar bytes - - - - CALL(.B) dst SP-2→ SP,PC + 2 → @SP ---- dst→ PC RETI TOS→ SR,SP + 2 → SP ****

TOS→ PC,SP + 2 → SP SXT dst Bit 7→ Bit 8... Bit 15 0 * * *

* El bit de estado es afectado - El bit de estado no es afectado 0 El bit de estado tiene valor 0 1 El bit de estado tiene valor 1

Todos los modos de direccionamientos son posibles para la instrucci´onCALL. Si es utiliza- do el modo simb´olico(ADDRESS, Direcci´on),el modo inmediato (N), el modo absoluto (EDE) o el modo ´ındice x(RN), la palabra que le precede contiene la informaci´onde direcci´on.

Instrucciones de salto

En la figura 2–7 se muestra el formato de las instrucciones de salto.

Figura 2–7: Formato de las instrucciones de salto.

En la tabla 2–5 se muestran las instrucciones de salto.

Saltos condicionales soportan una relativa brecha de programa al registro PC y no afectan el bit de estado. El posible rango de salto es desde -511 hasta +512 palabras relativas al CAP´ITULO 2 31 Tabla 2–5: Instrucciones de doble operando. Nem´onico S-Reg, D-Reg Operaci´on JEQ/JZ Etiqueta Saltar a Etiqueta si el bit cero es 1 JNE/JNZ Etiqueta Saltar a Etiqueta si el bit cero es 0 JC Etiqueta Saltar a Etiqueta si el bit carga es 1 JNC Etiqueta Saltar a Etiqueta si el bit carga es 0 JN Etiqueta Saltar a Etiqueta si el bit negativo es 1 JGE Etiqueta Saltar a Etiqueta si (N.XOR.V)=0 JL Etiqueta Saltar a Etiqueta si (N.XOR.V)=1 JMP Etiqueta Saltar a Etiqueta incondicionalmente valor del PC cuando ocurra la instrucci´onde salto. El offset del contador de programa de 10 bits es tratado como un valor de 10 bits con signo que es duplicado y sumado al contador de programa:

PCnew = PCold + 2 + PCoffset ∗ 2

2.2.3. Modos de Operaci´on

El MSP430F449 tiene para trabajar un modo activo y cinco modos de bajo consumo seleccionables por software, un evento de interrupci´onpuede despertar el dispositivo desde cualquiera de los cinco modos de bajo consumo, requerimiento de servicios y volver a ponerlo en el estado anterior. Los siguientes seis modos de trabajo pueden ser configurados por software:

1. Modo Activo Todos los relojes est´anactivos. 2. LPM0 La CPU est´adeshabilitada.

ACLK y SMCLK se mantienen activos.

El MCLK est´adeshabilitado.

El control por lazo F LL+ se mantiene activo. 3. LPM1 La CPU est´adeshabilitada.

ACLK and SMCLK se mantienen activo.

El MCLK est´adeshabilitado.

El control por lazo F LL+ est´adesabilitado. CAP´ITULO 2 32

4. LPM2 La CPU est´adeshabilitada.

El MCLK, el lazo F LL+ y el DCOCLK est´andeshabilitados. El DCO se mantiene activo.

El ACLK se mantiene activo.

5. LPM3 La CPU est´adeshabilitada.

El MCLK, el lazo F LL+ y el DCOCLK est´andeshabilitados. El DCO est´adeshabilitado. El ACLK se mantiene activo.

6. LPM4 La CPU est´adeshabilitada. El ACLK est´adeshabilitado.

El MCLK, el lazo F LL+ y el DCOCLK est´andeshabilitados. El DCO est´adeshabilitado.

El Oscilador de Cristal se para.

2.3. Perif´ericosdel Microcontrolador MSP430F449

Este microcontrolador realiza la medici´onelectr´onicatrif´asicade energ´ıael´ectrica.Pre- senta funciones de medici´onde voltaje rms para cada fase, corriente rms para cada fase, frecuencia, potencia activa y reactiva, y reloj en tiempo real. Tambi´enpresenta una serie de perif´ericos,a continuaci´onse mencionan con sus principales caracter´ısticas: LCD

Est´aconfigurado en el modo de 4 multiplexores con activaci´oninterna. Reloj Un cristal de 32 kHz se conecta entre los pines XT1 y XT2 del MSP430F449, el mismo pone el ACLK a 32 kHz. El FLL se encarga de multiplicar el ACLK de 32 kHz por 256 lo que trae consigo que el reloj de la CPU (MCLK) sea aproximadamente de 8 MHz.

Timer A y ADC12 CAP´ITULO 2 33

El ADC12 es un proceso de muestreo y conversi´ondel microcontrolador MSP430F449, el cual es activado por una se˜naltemporizada de hardware generada por el Timer A. Esta caracter´ısticaes muy importante para el procesamiento de se˜nales,como el muestreo es activado por software a˜nadetemblores, los cuales crean ruidos adicionales en las mues- tras de se˜nal.Adem´aseste proceso tambi´enpuede seleccionar por software el tiempo de muestreo y retenci´on. El Timer A est´aconfigurado para el conteo en modo de ascenso (TACCR0) a partir de la fuente del reloj temporizador de 32 kHz ACLK. TACCR0 es puesto en 9, dando una raz´onde muestreo de 3276.8, comparando con el registro CCR1 el cual est´aprogramado para la activaci´ondel ADC12. El registro CCR1 es puesto como disparador de la conver- si´onan´alogodigital por hardware 1/32768 segundos ≈ 30,52 µs antes de que la rutina de interrupci´onde servicio Timer A0 pueda rearmar la secuencia de muestras del ADC12. La secuencia de muestras del ADC12 es la siguiente:

I1 low gain (baja ganancia) = ADC12MEM0 I1 high gain (alta ganancia) = ADC12MEM1 V1 = ADC12MEM2

I2 low gain (baja ganancia) = ADC12MEM3

I2 high gain (alta ganancia) = ADC12MEM4 V2 = ADC12MEM5 I3 low gain (baja ganancia) = ADC12MEM6 I3 high gain (alta ganancia) = ADC12MEM7 V3 = ADC12MEM8

Sensor de Temperatura = ADC12MEM9

Cuando el bit MSC del registro de control 0 del ADC12 es puesto a uno, este puede completar la secuencia tan r´apidocomo sea posible. Cada muestreo/conversi´onrequiere

SampleTimer (Cron´ometrode muestreo) m´as13 ADC ciclos de reloj. Al final de cada secuencia, las 11 muestras est´anlistas para la ISR. Se muestra en la figura 2–8 un diagrama CAP´ITULO 2 34 en bloques con cuatro canales ADC para una mejor comprensi´ondel funcionamiento del proceso.

Figura 2–8: Diagrama en bloque del proceso de muestreo y conversi´on.

Expandiendo la resoluci´ondel ADC12 Para mantener la exactitud a trav´esde todo el rango de corriente, la resoluci´ondel ADC de 12 bits debe ser extendida hasta aproximadamente 15 bits. Esto se logra proporcionando una ganancia adicional de 16 en cada entrada de se˜nalde corriente al ADC y utilizando software para seleccionar cual ganancia es la m´asadecuada. Para cada se˜nalde corriente existen dos posibilidades de muestreo en el ADC, una con ganancia baja y otra con alta ganancia. El software escoge la mayor se˜nalno saturada existente en el muestreo b´asico, a esta se˜nalse le ajusta la ganancia y la compensaci´onde fase de acuerdo a la entrada de donde es tomada. En la figura 2–9 se muestra la realizaci´onde este proceso. CAP´ITULO 2 35

Figura 2–9: Extensi´onde la resoluci´ondel ADC12.

Cron´ometrob´asico Est´aconfigurado para dar una interrupci´onde tiempo de un segundo basado en el ACLK de 32 kHz para la funci´onde RTC. WDT

Cuando el watchdog timer est´aactivado, la interrupci´onde cron´ometrob´asicodeber´are- comenzarlo peri´odicamente; de lo contrario, genera un reinicio del sistema. Supervisor de Voltaje y Sistema de Monitoreo de Voltaje La incorporaci´onal hardware del circuito SVS se utiliza para asegurar que el MCU se encuentre en estado activo todo el tiempo. Cuando se realiza el reinicio del sistema el SVS primeramente se enciende para chequear si el nivel de AVCC es suficiente para el reloj de 8 MHz de la MCU. Una vez este nivel es confirmado, el SVS est´acapacitado para generar un reinicio del sistema cuando el voltaje caiga por debajo del m´ınimopermitido para esa velocidad de operaci´on. El voltaje de suministro es reducido y conectado a la entrada del comparador, cuando ocurra un corte de suministro el´ectricoel voltaje de suministro comienza a decaer y el comparador puede entonces, alertar al sistema que se prepare a entrar en el modo RTC de consumo ultra bajo.

2.4. Implementaci´ondel Software

El software para la medici´onesta implementado en dos procesos, el proceso de “fondo” y el proceso de “primer plano”. Las funciones de fondo utilizan una interrupci´onde tiempo CAP´ITULO 2 36 para activar el ADC y recolectar las muestras de corriente y voltaje de cada fase. Estas muestras son luego procesadas y acumuladas en buffer. Las funciones de fondo se encargan mientras tanto de los elementos de tiempo cr´ıticosdel software. Cuando se han acumulado suficientes muestras las funciones de primer plano son utilizadas para el c´alculode los valores finales de Vrms, Irms, frecuencia y potencia. Cuando el sis- tema recibe el mando de reset el hardware del microcontrolador primeramente se activa y carga todas las funciones, entonces el programa entra al lazo principal del proceso de primer plano y espera por la rutina de interrupci´onde tiempo para recoger los datos. Para un mayor entendimiento de estos dos procesos se realizar´auna explicaci´onm´asde- tallada de cada uno.

2.4.1. Proceso de fondo

La figura 2–10 muestra el diagrama en bloques del proceso de fondo, este proceso se encarga de los elementos con tiempo cr´ıticode la medici´onde la electricidad. CAP´ITULO 2 37

. Figura 2–10: Diagrama en bloques del proceso de fondo.

2.4.2. Proceso de primer plano

El proceso de fondo notifica al proceso de primer plano a trav´esde una bandera cada vez que un conjunto de datos est´anlistos para ser procesados. El conjunto de datos consiste en la acumulaci´onde 50 ´o60 ciclos de muestras v´alidasy sincronizadas con la se˜nalde voltaje entrante, con una raz´onde muestreo de 65 muestras por ciclo la cantidad resul- tante es aproximadamente de 3250 muestras. La muestra de datos consiste en informaci´on procesada de voltaje, corriente, energ´ıaactiva y reactiva.

Estos valores son acumulados en registros de 48 bits por separado, adem´asun contador de muestras mantiene el n´umerode muestras que se han acumulado a trav´esdel per´ıodo, esta CAP´ITULO 2 38 cantidad puede variar seg´unla sincronizaci´onexistente entre el software y la frecuencia principal de entrada. El proceso de fondo utiliza estos valores acumulados para realizar el c´alculode los resultados RMS y de los valores medios. En la figura 2–11 se puede apreciar un diagrama en bloque de lo anteriormente expuesto.

Figura 2–11: Diagrama en bloque del proceso de primer plano.

Para la realizaci´ondel c´alculode los valores rms de corriente y voltaje el proceso de primer plano utiliza los valores acumulados por el proceso de fondo como se puede apreciar en las ecuaciones 2.1 y 2.2. v u u Cont.MuestrasX u 2 u Vph [n] t V = F actordeEscala ∗ n=1 (2.1) ph,rms Cont.Muestras v u u Cont.MuestrasX u 2 u Vph [n] t I = F actordeEscala ∗ n=1 (2.2) ph,rms Cont.Muestras CAP´ITULO 2 39

Donde: ph = 1, 2 ´o3 Los valores acumulados de voltaje y corriente por el proceso de fondo son utilizados por el proceso de primer plano para realizar el c´alculode los valores de potencia activa y reactiva, como se puede apreciar en las ecuaciones 2.3 y 2.4.   Cont.MuestrasX 2  Vph [n] ∗ Iph[n] X3   P = F actordeEscala ∗ n=1  (2.3) activatotal  Cont.Muestras  ph=1  

  Cont.MuestrasX 2  Vph (90)[n] ∗ Iph[n] X3   P = F actordeEscala ∗ n=1  (2.4) reactivatotal  Cont.Muestras  ph=1  

Donde: ph = 1, 2 ´o3 La energ´ıa consumida es calculada bas´andoseen los valores de potencia (P) activa y utilizando la siguiente f´ormula: energ´ıaconsumida = (Potencia activa) ∗(numerodemuestrasrecogidas´ ) Estos valores son almacenados en una memoria EEPROM. Para la energ´ıareactiva el cambio de fase de 90o se utiliza por dos razones:

La potencia reactiva puede ser medida con baja exactitud para corrientes peque˜nas. Es el m´etodo utilizado internacionalmente para este tipo de medici´on.

En el caso de que la frecuencia principal var´ıe,es muy importante medir con exactitud este valor y despu´esrealizar el cambio de fase a las muestras de voltajes, de acuerdo con el valor obtenido anteriormente de frecuencia. Para la terminaci´ondel ciclo del proceso de primer plano una rutina especial de pantalla es llamada para mostrar con un retardo de dos segundos los valores medidos y calculados, como por ejemplo, Vrms, Irms, Potencia, Frecuencia, Reloj de Tiempo Real, etc. CAP´ITULO 2 40

2.5. Cron´ometrode Interrupci´on

El ADC es activado utilizando el pulso PWM proveniente de la salida del Timer A1, la frecuencia de muestreo es puesta a (32768/10) = 3.2768 ksps. El registro de control ADC12 est´aconfigurado para que cada pulso PWM active una serie de ciclos de conversi´onde voltaje y corriente, uno despu´esdel otro. El ancho del pulso PWM es calculado desde que ocurre la interrupci´onpor cron´ometrohasta que el resultado de la conversi´oneste listo, en cada intervalo entre las muestras tomadas se entregan tres pares de muestras de corriente y voltaje, la muestra neutra y la muestra del voltaje compensado del TC. En la figura 2–12 se puede apreciar un diagrama en bloques del flujo de se˜nalpara una fase.

Figura 2–12: Diagrama del flujo de se˜nalpara una fase.

2.6. Medici´onde corriente y voltaje

La se˜nalde voltaje tiene una componente ac y una componente dc compensada. En la medici´onde la electricidad la componente compensada dc es filtrada y la se˜nalac es ex- tra´ıda.Existe una diferencia de fase entre una muestra de corriente y una de voltaje, esto es causado principalmente por el transformador de corriente, y el proceso de muestreo CAP´ITULO 2 41 secuencial. Para eliminar esta diferencia de fase se utiliza un filtro FIR a˜nadiendouna demora fraccional en la se˜nalde voltaje, como la muestra de corriente esta retardada por una muestra, a˜nadiendoun retardo espec´ıficola compensaci´onde fase pueden ser las dos positivas o negativas. La se˜nalde voltaje es seleccionada por su funci´onde ajuste de fase fraccionada pues es una se˜nalnormalmente con una amplitud grande y muy pocos arm´onicos.Estas caracter´ısticaspermite que sea bastante sencillo el dise˜node un filtro de retardo single-tap. Las muestras instant´aneasde voltaje (v) se utilizan para producir las siguientes informa- ciones:

Valores acumulados de voltaje al cuadrado.

Valores acumulados de energ´ıaactiva.

Valores acumulados de energ´ıareactiva (derivados de la energ´ıaactiva, a˜nadiendo un cambio de fase de 90o).

Estos valores acumulados son procesados por el proceso de primer plano, para la medici´on de corriente tambi´enes necesaria la eliminaci´onde la componente dc, para lograrlo se utilizan dos etapas. En esta medici´onde corriente se muestrea tambi´enel voltaje compen- sado del transformador de corriente, y restando esta muestra de la muestra de corriente se crea un efecto pseudodiferencial, los disturbios por ruidos, teniendo as´ıla primera eta- pa de eliminaci´onde la componente dc; luego se a˜nadeun filtro de eliminaci´onde esta componente y se completa el proceso. Estas muestras instant´aneasde corriente (i) se uti- lizan para producir los valores acumulados de corriente al cuadrado y para el c´alculode la energ´ıaactiva y reactiva.

2.7. Compensaci´onde Fase

El transformador de corriente introduce un cambio de fase entre la se˜nalde corriente y la del voltaje, este desfasaje debe ser compensado, y se realiza retardando las muestras de voltajes por el mismo tiempo que el transformador retarda las muestras de corriente.

La compensaci´onde fase necesaria se mide durante la calibraci´on,un simple retardo entre CAP´ITULO 2 42 muestras provee un retardo de un paso en una sola. El retardo fraccional es implementado a trav´esde un filtro FIR el cual permite retrasos entre +0.5 y -0.5 muestras, como se puede apreciar en la figura 2–13 la cual muestra el diagrama en bloques de este filtro.

Figura 2–13: Diagrama de un filtro FIR single-tap.

El filtro FIR no presenta una ganancia igual a la unidad, su ganancia var´ıadependiendo de la cantidad de retardo fraccional que exista. El proceso de primer plano compensa para la ganancia distinta de la unidad cuando todo el bloque de muestras de potencia es calculado.

2.8. Medici´onde frecuencia

La tarea principal del proceso de fondo es la medici´ony procesamiento instant´aneode las se˜nalesde corriente y voltaje para cada fase, estas se acumulan en registros de 48 bits. Un ciclo de contador de rastreo y contador de muestras mantienen la cuenta de cu´antas muestras se tienen acumuladas, cu´andose logra en aproximadamente un segundo la acumulaci´onde muestras v´alidasen el registro de 48 bits por el proceso de fondo, se notifica el proceso de primer plano y este se encarga de calcular el promedio resultante, como los valores rms y de potencia. Ciclos perif´ericosson usados para la activaci´onde la promediaci´onrealizada por el proceso de primer plano ya que esto trae consigo resultados muy estables. Para la medici´onde frecuencia es utilizada una interpolaci´onentre una l´ınearecta y el cruce por cero de la muestra de voltaje, en la figura 2–14 se muestra la gr´aficade muestras cercas del punto de cruce por cero. CAP´ITULO 2 43

Figura 2–14: Gr´aficade muestras cercanas al punto de cruce por cero.

Los picos de ruidos causan errores en la medici´on,una raz´onde chequeos de cambio es utilizada para filtrar las posibles se˜naleserr´oneasy para asegurar que los dos puntos que son usados para la interpolaci´onson cruce por ceros. Para lograr un mayor entendimiento se pondr´ael siguiente ejemplo; cuando dos muestras consecutivas son negativas, un pico de ruido puede hacer a una de ellas positivas, por tanto, hacer que parezca el par negativo y positivo cruce por cero.

El cronometraje ciclo a ciclo pasa a trav´esde un filtro d´ebilpaso bajo para eliminar futuras variaciones, el resultado es una medici´onde frecuencia estable y exacta tolerante del ruido.

2.9. Generaci´onde pulsos LED

En los medidores de electricidad la energ´ıaconsumida es normalmente medida en frac- ciones de pulsos kWh. Los medidores tienen que generar y grabar la cantidad de estos pulsos con extrema exactitud, es un requerimiento general que estos sean generados con un poco de parpadeo; no obstante el tiempo de parpadeo no es una indicaci´onde falta de exactitud. Esta aplicaci´onutiliza el promedio de potencia para generar estos pulsos de energ´ıa,este promedio de potencia es calculado por el proceso de primer plano y se acumula cada vez que ocurre la interrupci´onTimer A0.

En la figura 2–15 se presenta el diagrama en bloque de la generaci´onde pulsos LED.

Esto es equivalente a convertir la medici´onen energ´ıay una vez que la energ´ıaacumulada cruza el umbral un pulso es generado, la cantidad de energ´ıapor debajo de este umbral se almacena y la nueva cantidad de energ´ıaes adicionada en el pr´oximociclo de interrupci´on. CAP´ITULO 2 44

Como el promedio de potencia tiende a ser valores estables este m´etodo produce pulsos de energ´ıaestables y sin parpadeo. El umbral determina la energ´ıaespecificada por la com- pa˜n´ıaabastecedora y es una constante. El circuito por hardware Timer A genera el pulso, lo que trae consigo que presente una exactitud dentro de 1/3276.8 segundos ≈ 305.176 µs.

Figura 2–15: Diagrama de generaci´onde pulsos LED.

2.10. Dise˜nodel hardware del medidor de energ´ıael´ectricabasado en el microcontrolador MSP430F449

En la figura 2–16 se muestra un diagrama del sistema de medici´ony representaci´onen pantalla del MSP430F449. CAP´ITULO 2 45

Figura 2–16: Diagrama del sistema de medici´on y representaci´on en pantalla del MSP430F449.

En la figura 2–17 se muestra el diagrama en bloques del medidor digital.

Figura 2–17: Diagrama en bloque del medidor digital.

2.10.1. Alimentaci´ondel circuito

Para la alimentaci´ondel circuito se utiliz´ouna fuente basada en capacitores como se puede observar en la figura 2–18, en el caso de la salida de corriente no sea suficiente se le puede a˜nadirun transistor fuera de borda NPN.

Figura 2–18: Diagrama de fuente del MSP430F449. CAP´ITULO 2 46

2.10.2. Acondicionamiento de la se˜nalpara la medici´onde voltaje

Para realizar la medici´onde voltaje se utiliza un ADC como se expuso con anterioridad, por lo que es necesario reducir el voltaje principal de acuerdo al rango de entrada de nuestro conversor, de esta reducci´onde voltaje se encargan los resistores R46, R47 y R48.

Tambi´enhay que tener en cuenta que la se˜nalde entrada tiene que ser por encima del nivel de tierra por las entradas de nuestro ADC, de esta funci´onse encargan los resistores R42 y R20. Para evitar la medici´onde ruidos se utiliza un filtro antialiasing utilizando un capacitor de 1µF (C29) y se utiliza un filtro RC de resistencia (R) = 15kΩ(R20) y capacitancia de (C) = 100ηF (C28), como se puede observar en la figura 2–19.

Figura 2–19: Acondicionamiento de la se˜nalde entrada de voltaje.

2.10.3. Acondicionamiento de la se˜nalpara la medici´onde corriente

Para realizar la medici´onde corriente es necesaria la utilizaci´onde un transformador de corriente, en dependencia de las especificaciones del transformador de corriente se selec- ciona la resistencia de carga que en el caso de la figura 2–20 es el resistor R21. Tambi´en se le adiciona al TC un voltaje a la salida del mismo para mantener el nivel por encima del nivel de tierra debido a las entradas del ADC. CAP´ITULO 2 47

Figura 2–20: Diagrama del circuito para la medici´onde corriente en una sola fase.

La se˜naldel TC es amplificada por el amplificador operacional utilizando dos sistemas de ganancias, el primer sistema provee una entrada a escala completa al ADC con corriente m´aximay el segundo amplifica la se˜nal16 veces. Estas dos salidas de los sistemas de ganancia se conectan con dos de los pines de entrada del ADC12.

2.10.4. El controlador de LCD

Este controlador maneja directamente la pantalla LCD creando el segmento ac y las se˜nales comunes de voltaje autom´aticamente, es capaz de soportar desde 2 hasta 4 multiplexores de forma est´atica.Sus caracter´ısticasprincipales se muestran a continuaci´on:

Memoria de pantalla. Generaci´onde se˜nalde forma autom´atica. Frecuencia de cuadro configurable. Capacidad de blanqueo.

Soporte desde 2 hasta 4 multiplexores.

El diagrama en bloques del controlador se muestra en la figura 2–21. Esta figura se obtuvo de (Bierl, 2000). CAP´ITULO 2 48

Figura 2–21: Diagrama en bloques del controlador LCD.

El mapa de memoria del controlador se muestra en la figura 2–22, cada bit de memoria corresponde a un segmento de la LCD, o no es utilizado. Como se planteaba anteriormente este controlador soporta la opci´onde blanqueo con el bit LCDSON, el mismo est´acon-

figurado con una l´ogicaAND con cada bit de memoria de los segmentos de la LCD, por tanto, cuando LCDSON=1 cada segmento esta encendido o apagado, de acuerdo con el valor que este posea en ese momento, y cuando el bit LCDSON=0 todos los segmentos de la LCD est´anapagados. CAP´ITULO 2 49

Figura 2–22: Mapa de memoria del controlador LCD.

El controlador utiliza la se˜nal fLCD del cronometrador 1 b´asico(Basic Timer 1) para la temporizaci´onde las l´ıneasde segmentos y comunes. La frecuencia verdadera fLCD est´aen dependencia de los requerimientos de la LCD para el refrescamiento y la frecuencia de tramas adem´asde la raz´onde multiplexado. La alimentaci´onrequerida por la se˜nalde la LCD es suministrada externamente por los pines R33, R23, R13 y R03 utilizando divisor resistivo equilibrado estableciendo el voltaje anal´ogiconecesario como se muestra en la figura 2–23. El valor de la resistencia R es t´ıpicamente 680 kΩ, existe tambi´enla posibilidad de utilizar valores entre 100 kΩ y 1 MΩ en dependencia de los requerimientos de la LCD. La resistencia R33 esta conectada con la salida VCC a trav´esde un interruptor anal´ogico, esto permite que la alimentaci´onsea cortada cuando la LCD no se est´eutilizando.

Figura 2–23: Requerimientos de voltaje por la se˜nalde la LCD. CAP´ITULO 2 50

El contraste de la LCD puede ser controlado por el nivel de voltaje en la resistencia R03 con un circuito externo, se le puede agregar una resistencia Rx a tierra para la soluci´on de este problema. Incrementando el voltaje en R03 se reduce el voltaje total aplicado a los segmentos de la LCD, reduciendo as´ıel contraste de la misma. Algunos segmentos de la LCD, l´ıneascomunes y funciones de Rxx son multiplexados con l´ıneasde funciones de

E/S digitales, estos pines pueden funcionar como E/S digitales o como funciones de la LCD utilizando los bits PxSELx y LCDPx. Los bits LCDPx seleccionan la funcionalidad de la LCD por grupos de pines, por ejemplo cuando LCDPx=0 no hay pines multiplexados destinados a las funciones de LCD y cuando

LCDPx=1 los segmentos desde S0 hasta S15 son seleccionados como funci´onde LCD. Cuando LCDPx > 1 los segmentos son seleccionados en grupos de 4, por ejemplo si LCDPx=2 son seleccionados los segmentos desde S0 hasta S19. En modo est´aticocada pin de segmento del MSP439F449 maneja un segmento de la LCD y una sola salida com´un es utilizada (COMx).

En la figura 2–24 se muestra el registro de control de la LCD (LCDCTL).

Figura 2–24: Registro de control de la LCD (LCDCTL).

2.10.5. Comunicaci´onserie RS232 basado en el CI MAX232

Este circuito integrado tiene funci´onde doble recibidor/manejador que incluye un gener- ador de voltaje capacitivo para proveer el nivel de voltaje lineal de 5V al TIA/EIA-232-F. Cada recibidor TIA/EIA-232-F convierte las entradas de 5V a niveles TTL/CMOS, estos recibidores presentan un umbral t´ıpicode 1.3V, una hist´eresisde 0.5 V y pueden aceptar hasta ±30V de entrada. Las principales caracter´ısticasdel CI MAX232 se presentan a continuaci´on:

Opera con un voltaje de cd de 5V suministrado por un banco de capacitores de 1

µF. Opera hasta 120 kbit/s. CAP´ITULO 2 51

Presenta dos manejadores y dos recibidores. Presenta niveles de entrada de voltaje de hasta ±30V .

Bajo consumo de corriente, t´ıpicamente de hasta 8 mA. Protecci´onESD con JESD 22, hasta 2000V HBM (A114-A).

Actualizaci´oncon mejoramientos ESD (15 kV HBM).

Presenta diferentes tipos de modelos de encapsulados, como por ejemplo D, DW, N o NS.

En la figura 2–25 se presenta la vista superior de un ejemplo de encapsulado N.

Figura 2–25: Encapsulado N del CI MAX232.

En la figura 2–26 se muestra las conexiones del CI MAX232 para todos sus pines:

Figura 2–26: Conexi´onde los pines del CI MAX232. CAP´ITULO 2 52

2.10.6. Dise˜nodel medidor digital en la herramienta OrCAD

Para el dise˜nodel circuito en el OrCAD se cre´oun nuevo proyecto con el nombre de

Medidor Digital, se realiz´oen forma de simulaci´on( ver figura 2–27).

Figura 2–27: Circuito del Medidor Digital en OrCAD. CAP´ITULO 2 53

2.11. Conclusiones del Cap´ıtulo

1. En este cap´ıtulose han detallado las principales caracter´ısticasy ventajas que pre- senta el microcontrolador MSP430F449 para la realizaci´ondel proceso de medi- ci´onde energ´ıael´ectrica,c´alculos,mostrar los valores en display y realizaci´onde

la transmisi´onserie RS232 a una base de datos determinada. 2. Todas las condiciones objetivas y subjetivas se combinaron perfectamente para lograr un resultado exitoso en el dise˜nodel hardware.

3. El dise˜nopropuesto, al menos en teor´ıa,cumple con los requerimientos y las fun- cionalidades establecidas en los objetivos del trabajo.

4. Aunque el dise˜nodel hardware es determinante, sin el dise˜nodel software el trabajo no cumplir´ıacon los resultados esperados; lo cual es objeto del cap´ıtulosiguiente. Cap´ıtulo3 SOFTWARE Y SIMULACION´

En este cap´ıtulose abordan las principales caracter´ısticasdel software IAR Embedded Workbench, as´ıcomo sus funcionalidades. Se realiza una explicaci´oncon respecto a la programaci´ondel microcontrolador MSP430F449 y todos los dem´asperif´ericos.Se muestra el diagrama del circuito impreso y se desarrolla una valoraci´onecon´omicasobre el dise˜no planteado.

3.1. Compilador IAR

IAR Embedded Workbench con su compilador optimizado de C/C++ es un ambiente in- tegrado de desarrollo para construir y depurar aplicaciones incrustadas basadas en ARM. Provee soporte extensivo para una gran variedad de dispositivos ARM, sistema de depu- raci´onde hardware y RTOS, y genera c´odigomuy compacto y eficiente. La configuraci´on de dispositivos prefabricados, cargadores de Flash y m´asde 1400 proyectos de ejemplo son incluidos en este programa. Este programa es compatible con otros compiladores ARM EABI y soporta los siguientes n´ucleosde ARM:

ARM7 (ARM7TDMI, ARM7TDMI-S and ARM720T). ARM9 (ARM9TDMI, ARM920T, ARM922T and ARM940T).

ARM10E (ARM1020E and ARM1022E). ARM11.

Cortex-M0.

Cortex-M1. Cortex-M3.

54 CAP´ITULO 3 55

IAR Embedded Workbench soporta dispositivos ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10E, ARM11, SecurCore, Cortex M0, M1, M3, R4 (F) y XScale de varios fabricantes como son Texas Instruments, Toshiba, STMicroelectronics, Intel, Actel, Analog Devices, entre otros. El soporte de depuraci´onde hardware presenta las caracter´ısticasmostradas en la tabla 3–1.

Tabla 3–1: Soporte de hardware del Compilar IAR JTAG Nota IAR J-Trace Soporta todos los n´ucleosARM7, ARM9 y Cortex-M3. IAR J-Link Soporta todos los n´ucleosARM7/ARM9/ARM11/Cortex- M0/M1/M3. GDB server Para el kit de desarrollo STR9-comStick. Jeeni EPI LMI FTDI TI FTDI driver. ST ST-LINK Soporta dispositivos STM32 SAM-ICE Soporta dispositivos Atmel AT91SAM J-Link Lite LPC Edition Soporta dispositivos NXP mIDASLink Soporta dispositivos de Analog Devices DIGI JTAG Link Soporta dispositivos DIGI

3.2. Programaci´ondel PIC MSP430F449

3.2.1. Proceso de primer plano

Este es el proceso encargado de la inicializaci´onde todos los perif´ericospresentes en el dispositivo, la supervisi´ondel voltaje de alimentaci´on,la realizaci´onde los c´alculos,la generaci´onde pulsos LED, y de la presentaci´onde los valores medidos en el display. En la supervisi´ondel voltaje el papel fundamental lo posee el WDT, el cual genera una inter- rupci´oncon una prioridad de orden 15, la de mayor prioridad, si el voltaje de alimentaci´on no es adecuado con respecto a la frecuencia a la que est´afuncionando la CPU. En la realizaci´onde los c´alculosse toman en cuenta los voltajes y las corrientes rms en cada fase, la potencia activa y reactiva y el c´alculode la frecuencia. Para la generaci´on de pulsos LED se compara con un valor predeterminado y si el promedio de potencia es mayor se genera una pulsaci´onPWM bas´andoseen el Timer A. Para mostrar los valores en el display se utiliza una subrutina, la cual primeramente se encarga de configurar los m´odulosy los registros de control, luego presenta la informaci´oncon dos valores despu´es CAP´ITULO 3 56 de la coma. Cuando el proceso de fondo le notifique que ha transcurrido 1 segundo y los valores est´anlistos para la realizaci´onde los c´alculosnuevamente vuelve a realizar todo.

3.2.2. Proceso de fondo

El proceso de fondo es el encargado de realizar la medici´onde la corriente y el voltaje por cada fase, basado en el ADC12, adem´asse encarga de eliminar la componente dc de cada muestra tomada por el conversor, e informar al proceso de primer plano que los valores est´anlistos para su posterior utilizaci´oncuando haya transcurrido un segundo de muestreo. En el anexo 4 se muestra el programa del microcontrolador MSP430F449 basado en el compilador IAR Embedded Workbench.

3.2.3. Conversor An´alogo/Digitalde 12 bits

Para la programaci´ondel ADC de 12 bits hay que tener en cuenta los registros de control 0 y 1, pues es necesario modificarlos para obtener el funcionamiento deseado acorde con la configuraci´onde hardware planteada en el cap´ıtulo 2. Para lograr la conversi´ones necesario activar primero cu´alesson las entradas que recibir´andatos y luego cu´ales la ganancia necesaria para obtener el menor error posible, en el caso de la entrada A7/SVSIN se configura para la supervisi´onde voltaje. Luego de tener estos detalles listos se realiza la conversi´ony los resultados se almacenan en los registros de memoria correspondientes para cada entrada (ADC12MEMxx), estos valores se guardan en localizaciones de memoria destinadas a esta funci´ony se repite el proceso de conversi´onhasta que transcurra 1 segundo y estos valores pasan al proceso de primer plano. Los registros de control y de memoria del ADC se encuentran explicados en el anexo 2.

3.2.4. Controlador LCD

Cuando el proceso de primer plano culmina la realizaci´ony salvado de los valores de volta- je y corriente rms, potencia activa total y potencia reactiva, pasa a la rutina del manejador de LCD. Para mostrar los valores en el display primeramente se configura la capacitancia de carga del Xtal para el registro de control 0 del FLL y se pone un retardo para que se CAP´ITULO 3 57 estabilice el valor de 32.768 kHz en el mismo. Logrando esto se habilita y se le pasan los par´ametrosdeseados al registro de control del LCD, entre estos par´ametrosse encuentran el tipo de LCD que se utilizar´a(4 MUX en este caso) y los segmentos a utilizar (S0-S22). Es necesario habilitar los pines de resistencias y COMx para el correcto funcionamiento del display, y la frecuencia a la que el mismo trabajar´a,una vez concluido esto se habilitan los puertos de salida del microcontrolador para enviar la informaci´ondeseada. Luego de terminar la configuraci´ondel controlador LCD se realiza una limpieza en la pantalla para no mostrar valores indeseados. Antes de mostrar los valores es necesario convertirlos a BCD y despu´esde estar convertidos realizar los ajustes de d´ıgitossignifica- tivos antes y despu´esde la coma. Con estos valores listos se pasa a mostrarlos en pantalla y cuando se termine se salta a la rutina de comunicaci´onserie RS232. Los registros del controlador LCD, as´ıcomo su diagrama de conexi´onse muestran en el anexo 3.

3.2.5. Comunicaci´onserie RS232 basado en el CI MAX232

Se utilizar´ael protocolo de comunicaci´onUART con una velocidad de 9600 bits por se- gundos con 8 bits de datos y con 1 bit de parada. Luego de terminar la representaci´onen pantalla realizada por el proceso de primer plano se comienza la rutina de comunicaci´on RS232 utilizando una ISR para RX y la interrupci´onUSART0 RX activa la transmisi´on de datos TX. Primeramente se configura la capacitancia de carga del Xtal para el registro de control 0 del FLL, se habilitan los pines USART0 TXD/RXD para la transmisi´ony recepci´onde los datos, se establecen los 8 bits de datos a mandar y recibir, se configura el SMCLK y para terminar con la configuraci´onde la comunicaci´onse establece la velocidad del protocolo a 9600 bits por segundos. Estando estos factores configurados y listos se inicializa la m´aquinade estado USART del microcontrolador y se habilita la interrupci´on USART0 RX. Cuando ocurre la ISR de RX se revisa si el buffer de TX se encuentra listo y cuando se cumpla la condici´onse comienza con la transmisi´onde los datos. Al terminar de transmitir se termina la rutina de comunicaci´ony se empieza de nuevo el proceso de primer plano. CAP´ITULO 3 58

3.3. Circuito Impreso

En las figuras 3–1 y 3–2 se puede observar el diagrama del circuito impreso del medidor digital de energ´ıael´ectrica.

Figura 3–1: Diagrama del Circuito Impreso del Medidor Digital(Frente).

Figura 3–2: Diagrama del Circuito Impreso del Medidor Digital(Fondo).

Es necesario tomar en cuenta los errores que se cometen al realizar una medici´oncon este dispositivo, estos errores se muestran en forma de tabla en el anexo 5, todas las mediciones se realizaron a una frecuencia de 50 Hz por el fabricante del microcontrolador. CAP´ITULO 3 59

3.4. Valoraci´onEcon´omica

En la tabla 3–2 se muestra un listado de precio de las resistencias utilizadas en la elabo- raci´ondel circuito, todas pertenecen al mismo fabricante que es Vishay, este tambi´enes el fabricante de los capacitores y filtros. Los datos se extrajeron de (S.A, 2010). Tabla 3–2: Valoraci´onEcon´omicade Resistencias, Capacitores y Filtros.

Componente Tipo Moneda Precio/u Cantidad Precio Total

Resistencia 5Ω 6W EURO 0.78 3 2.34

Resistencia 100Ω 0.4W EURO 0.051 4 0.204

Resistencia 430Ω 0.6W EURO 0.02 1 0.02

Resistencia 680Ω 3W EURO 0.318 3 0.954

Resistencia 1kΩ 0.4W EURO 0.051 15 0.765

Resistencia 3.3kΩ 0.4W EURO 0.051 3 0.153

Resistencia 4.7kΩ 0.6W EURO 0.02 1 0.02

Resistencia 5kΩ 0.6W EURO 0.056 3 0.168

Resistencia 10kΩ 1W EURO 0.127 9 1.143

Resistencia 15kΩ 0.6W EURO 0.056 3 0.168

Resistencia 47kΩ 0.6W EURO 0.056 1 0.056

Resistencia 160kΩ 0.6W EURO 0.056 3 0.168

Resistencia 820kΩ 0.6W EURO 0.028 3 0.084

Resistencia 2MΩ 0.6W EURO 0.024 6 0.144

Resistencia 3MΩ 0.6W EURO 0.052 3 0.156

Resist. Var. 1kΩ 1W EURO 6.29 3 18.87

Capacitor 1ηF 1kV EURO 0.136 2 0.272

Capacitor 2.2ηF 1kV EURO 0.218 3 0.654

Capacitor 10ηF 1kV EURO 0.285 5 1.425

Capacitor 100ηF 250V EURO 0.229 17 3.893

Capacitor 330ηF 330V EURO 0.814 3 2.442

Filtro 0.1µF 50V EURO 0.25 5 1.25

Filtro 1µF 63V EURO 0.088 3 0.264

Filtro 10µF 63V EURO 0.088 15 1.32

Filtro 22µF 50V EURO 0.088 1 0.088

Filtro 2200µF 200V EURO 16.24 1 16.24

Total 1 EURO //////// 119 53.261 CAP´ITULO 3 60

En la tabla 3–3 aparece el listado de precios de los diodos, inductores, LM324N y de la caja protectora del dispositivo. NXP es el fabricante en el caso de los diodos utilizados, Epcos es el de los inductores, Texas Instruments de la LM324N y en el caso de la caja protectora es Schroff.

Tabla 3–3: Valoraci´onEcon´omicade Diodos, Inductores, LM324N y Caja Protectora.

Componente Tipo Moneda Precio/u Cantidad Precio Total

Diodo D1N4148 EURO 0.015 18 0.27

Diodo Zener 9V 25W EURO 0.055 1 0.055

Diodo LED Rojo 0.7V EURO 0.055 1 0.055

Inductor 4mH EURO 1.584 4 6.336

LM324N CI EURO 0.171 3 0.513

Caja Herm´etica EURO 48.94 1 48.94

Adaptaci´onde Caja EURO 48.94 1 48.94

Total 2 EURO //////// 29 105.109

En la tabla 3–4 aparece el listado de precios de los componentes restantes, estos son: Xtal, MAX232, regulador, interruptor anal´ogico,microcontrolador MSP430F449, LCD y conector hembra de PCB. Los fabricantes en ese mismo orden son: Fox Electronics, Maxim, Texas Instruments en los tres casos consecutivos, SoftBaugh en el caso de la LCD y Phoenix Contact es el fabricante del conector. Tabla 3–4: Valoraci´onEcon´omicade los componentes restantes.

Componente Tipo Moneda Precio/u Cantidad Precio Total

Xtal 32.768 kHz EURO 0.279 1 0.279

MAX232 2T/2R EURO 1.19 1 1.19

TPS76333 Regulador EURO 0.368 1 0.368

TLC4016 Interruptor Anal´ogico EURO 0.328 3 0.984

MSP430 Microcont. EURO 13.43 1 13.43

LCD 4MUX EURO 7.63 1 7.63

Conector DB9 Hembra EURO 2.97 1 2.97

Conector Hembra 11 v´ıas1 l´ınea EURO 1.61 1 1.61

Total 3 EURO //////// 10 28.461 CAP´ITULO 3 61

Realizando una suma de todos los totales se puede tener el costo de implementaci´ondel dispositivo, en la tabla 3–5 se muestra lo anteriormente planteado. Se realiz´oel cambio de moneda a CUC, donde la tasa de cambio del EURO se tom´o:1 CUC equivale a 1.1102 EUROS, la misma es la tasa de cambio vigente en nuestro pa´ıs(Cuba, 2010). Tabla 3–5: Costo Total del dispositivo de medici´onde energ´ıael´ectrica.

Totales Componentes Precio en EURO Precio en CUC

Total 1 119 53.261 59.13

Total 2 29 105.109 116.692

Total 3 10 28.461 31.6

Costo Total 158 186.831 207.422

En el mercado internacional existen metrocontadores digitales programables, entre ellos se pueden encontrar:

ABB/Elster Modelo: A1700 Circutor Modelo: Cirwatt C DTSD 341

En la tabla 3–6 se muestra una comparaci´onen cuanto a precio de costo de estos metro- contadores con el costo total estimado para el dise˜no.Es necesario aclarar que estos precios solo tienen en cuenta el metrocontador como tal, para la utilizaci´ondel software de los mismos se tiene que comprar tambi´en.La tasa de cambio del USD se tom´o:1 CUC equiv- ale a 0.9259 USD, la misma es la tasa de cambio vigente en nuestro pa´ıs(Cuba, 2010).

Tabla 3–6: Comparaci´oncon otros metros existentes en el mercado internacional.

Metrocontador Precio en USD Precio en CUC

ABB 650 601.835

Circutor 470 435.173

DTSD 341 380 351.842

Dise˜no 192.052 207.422

Esta comparaci´onno es completa pues los metrocontadores difieren en funcionalidades. CAP´ITULO 3 62

3.5. Conclusiones del Cap´ıtulo

1. En este cap´ıtulo se detallaron las caracter´ısticas fundamentales para lograr la programaci´ondel microcontrolador. Es necesario aclarar que aunque se trataron los temas de forma independientes todos est´anestrechamente relacionados, esto

se hizo para lograr un mejor entendimiento de los mismos. CONCLUSIONES

El trabajo realizado representa una contribuci´onm´asa las pol´ıticasde ahorro energ´etico y desarrollo sustentable que lleva a cabo nuestro pa´ıs,y constituye una v´ıaimportante y segura para sustituir importaciones, tan necesario en nuestro contexto econ´omicoactual. Con la culminaci´ondel trabajo se arribaron a las siguientes conclusiones:

1. Se cumplieron los objetivos propuesto y las tareas t´ecnicasrelacionadas con ellos,

incluso la implementaci´ondel programa del MSP430F449 necesario para que el hardware dise˜nadocumpla sus funcionalidades.

2. El software se desarroll´ocon el compilador IAR Embedded Workbench, adem´as se analizaron ejemplos y se consider´oel hardware dise˜nadocon las caracter´ısticas propias del dispositivo. El software posee buena documentaci´onpara su utilizaci´on posterior.

3. El dise˜nopresenta una adaptabilidad muy amplia y puede ser utilizado en difer- entes situaciones seg´unlas necesidades existentes. 4. El dise˜nopresenta un costo de fabricaci´onbajo en comparaci´oncon otros metro- contadores de su tipo en el mercado internacional, lo que representa posibilidades

de ahorro de recursos econ´omicos.

63 RECOMENDACIONES

1. Realizar la implementaci´onpr´acticadel dise˜noplanteado.

2. Continuar la sistematizaci´ondel conocimiento sobre el microcontrolador MSP430F449 en la medici´onde energ´ıael´ectrica.

3. Proponer una plataforma para el desarrollo con estos PIC especializados en la medici´onde energ´ıael´ectrica.

4. Analizar el dise˜nopara mejorarlo en posteriores trabajos de diploma o de maestr´ıa.

64 Bibliograf´ıa

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Torre, Juan de la (2010). Electricidad. ANEXOS ANEXO 1

FUNCION´ DE LOS TERMINALES DEL MICROCONTROLADOR MSP430F449

68 ANEXO 1 69

Funci´onde los terminales del microcontrolador MSP430F449. ANEXO 1 70

Funci´onde los terminales del microcontrolador MSP430F449 (Continuaci´on). ANEXO 1 71

Funci´onde los terminales del microcontrolador MSP430F449 (Continuaci´on). ANEXO 2

ADC12

A continuaci´onse muestra el registro de control 0.

La explicaci´onde cada uno de los bits de este registro es la siguiente.

Seg´unel valor que presenten los bits SHTxx se programar´auna configuraci´ondeterminada.

72 ANEXO 2 73

Configuraci´onde cada bit del registro de control 0 del ADC12

El registro de control 1 del ADC12 es el siguiente. ANEXO 2 74

A continuaci´onse explica la configuraci´onde cada bit del registro.

Para almacenar el resultado de cada conversi´onel ADC12 presenta 16 registros de memo- rias desde ADC12MEM0 hasta ADC12MEM15, se muestra la configuraci´onde estos reg- istros a continuaci´on. ANEXO 3

CONTROLADOR DE LCD

Se puede observar la conexi´onentre el microcontrolador MSP430F449 y un LCD de 8 d´ıgitoscon la configuraci´onresultante de los segmentos.

75 ANEXO 3 76

A continuaci´onse muestran los registros del controlador de LCD.

La explicaci´onde cada uno de los bits del registro del controlador de LCD (LCDCTL) es la siguiente. ANEXO 4

PROGRAMA DEL MICROCONTROLADOR MSP430F449 BASADO EN EL COMPILADOR IAR EMBEDDED WORKBENCH

77 ANEXO 4 78 ANEXO 4 79 ANEXO 4 80 ANEXO 4 81 ANEXO 4 82 ANEXO 4 83 ANEXO 4 84 ANEXO 4 85 ANEXO 5

ERRORES DEL MSP430F449 EN LA MEDICION´ DE ENERG´IA ELECTRICA´

Estos errores son los brindados por el fabricante, las mediciones se realizaron a una fre- cuencia de 50Hz.

Prueba de Error B´asico

Especificaci´on GB/T 17883-1999 secci´on4.6.1 M´etodo de Prueba Medici´onde Energ´ıaEl´ectrica Condiciones de Prueba V=Vn

Resultado de Prueba Error B´asicoy Balance de carga

Corriente Factor de L´ımite de Resultado de Carga Potencia Error( %) de Prueba 0.01In 1 1 0.2363 0.02In 0.5L 1 0.1393 0.02In 0.8C 1 0.261 0.05In 1 0.5 0.0627 0.05In 0.5L 1 0.0117 0.1In 1 1 0.0143 0.1In 0.5L 0.6 -0.1077 0.1In 0.8C 0.6 0.062 0.2In 1 0.5 0.0233 0.5In 1 0.5 0.1063 0.5In 0.5L 0.6 0.0997 0.5In 0.8C 0.6 0.1127 In 1 0.5 0.0693 In 0.5L 0.6 -0.098 In 0.8C 0.6 0.121 Imax 1 0.5 -0.1077 Imax 0.5L 0.6 -0.2327 Imax 0.8C 0.6 0.204

86 ANEXO 5 87

Resultado de Prueba Error B´asicoy Balance de carga por fase

Corriente Factor de L´ımitede Resultado de Prueba de Carga Potencia Error( %) Fase A Fase B Fase C 0.05In 1 0.6 0.2803 0.2017 0.2227 1 0.6 0.1553 0.0823 0.124 0.01In 0.5L 1 0.374 -0.1603 -0.0157 1 0.6 0.2033 0.2673 0.239 0.05In 0.5L 1 0.0747 -0.117 0.5687 1 0.6 0.157 0.228 0.1817 In 0.5L 1 0.0177 -0.131 0.0153 1 0.6 0.16 0.2273 0.2273 Imax 0.5L 1 0.0347 -0.1613 -0.2673

Prueba de la Influencia del Voltaje

Especificaci´on GB/T 17883-1999 secci´on4.6.2 M´etodo de Medici´onde Energ´ıaEl´ectrica Prueba Criterio de El metro debe funcionar normalmente para cualquier volta- Prueba je que se encuentre en el rango de 0.5Vn hasta 1.5Vn. Entre 0.9Vn y 1.1Vn el error debe estar dentro de las es- pecificaciones. Entre 0.9Vn y 1.1Vn la variaci´ondel error debe estar dentro de las especificaciones. Condiciones Por encima del rango de 0.9Vn hasta 1.1Vn. de Prueba ANEXO 5 88

Prueba Error de la Influencia del Voltaje

Factor de Potencia L´ımitede Error( %) Corriente Voltaje Error( %)

0.9Vn 0.0177

1 0.5 Imax Vn 0.1783

1.1Vn 0.2943

0.9Vn -0.2437

0.5L 0.5 Imax Vn -0.1243

1.1Vn 0.027

0.9Vn -0.011

1 0.5 In Vn 0.1517 1.1Vn 0.2717

0.9Vn -0.1313 0.5L 0.5 In Vn 0.0193

1.1Vn 0.1173

0.9Vn -0.2117 1 0.5 0.1In Vn -0.0923

1.1Vn 0.0037

0.9Vn -0.042 1 0.5 0.05In Vn 0.1773 1.1Vn 0.2797

Prueba Variaci´ondel Error de la Influencia del Voltaje

Factor de Potencia L´ımitede Error( %) Corriente Voltaje Error( %)

0.9Vn 0.16 1 0.5 Imax 1.1Vn 0.12

0.9Vn 0.12 0.5L 0.5 Imax 1.1Vn 0.15

0.9Vn 0.16 1 0.5 In 1.1Vn 0.12

0.9Vn 0.15 0.5L 0.5 In 1.1Vn 0.1

0.9Vn 0.1 1 0.5 0.1In 1.1Vn 0.1

0.9Vn 0.14 1 0.5 0.05In 1.1Vn 0.1 ANEXO 5 89

Prueba Influencia de la Frecuencia Principal

Especificaci´on GB/T 17883-1999 secci´on4.6.2

M´etodo de Prueba Medici´onde Energ´ıaEl´ectrica

Criterio de Prueba Variaci´ondel Error ( %) = 0.2 %

Prueba de Error Influencia de la Frecuencia Principal

Factor de Potencia 1 0.5L

Corriente 0.05In In Imax 0.1In In Imax

Error ( %)

47.5 Hz 0.1567 0.1443 0.1693 -0.0737 0.0167 -0.0757 Frecuencia 50.0 Hz 0.1617 0.146 0.1693 -0.0973 0.0107 -0.049

52.5 Hz 0.1603 0.1473 0.1693 -0.0897 -0.0217 -0.0757

Prueba Variaci´ondel Error de Influencia de la Frecuencia Principal

Factor de Potencia 1 0.5L

Corriente 0.05In In Imax 0.1In In Imax

Error ( %)

47.5 Hz 0.01 0.00 0.00 0.02 0.01 0.03 Frecuencia 52.5 Hz 0.00 0.00 0.00 0.01 0.01 0.03 ANEXO 5 90

Prueba Inversi´onde Fase

Especificaci´on GB/T 17883-1999 secci´on4.6.2

M´etodo de Prueba Medici´onde Energ´ıaEl´ectrica

Criterio de Prueba Variaci´ondel Error ( %) ≤ 0,1 %

Condiciones de Prueba Voltaje V=Vn, Corriente I=In, Factor de Potencia cos φ=1

Prueba Resultado Inversi´onde Fase

Error ( %)

Direcci´onNormal +0.0540

Direcci´onInvertida +0.0383

Cambio de Error( %) 0.02

Prueba Influencia Arm´onica

Especificaci´on GB/T 17883-1999 secci´on4.6.2

M´etodo de Prueba Medici´onde Energ´ıaEl´ectrica

Criterio de Prueba Variaci´ondel Error ( %) ≤ 0,1 %

Condiciones de Prueba Voltaje V=Vn, Factor de Potencia cos φ=1

Prueba Resultado Influencia Arm´onica

L´ımitede Error ( %) Corriente Fase Arm´onica Cambio de Error( %) 0◦ 0.01 0.05In 180◦ 0.01 0◦ 0.01 0.1 In 180◦ 0.02 0◦ 0.01 Imax 180◦ 0.01