Arduino + Matlab: adquisición de datosJorge García Tíscar

Viernes, 15 de julio de 2011A la hora de empezar con cualquier proyecto de aplicación práctica, una de las

cuestiones principales suele ser enlazar la parte teórica (hábilmente trabajosamente

programada en nuestro entorno informático preferido) como algoritmos de

tratamiento de datos, sistemas de control automático, etc., con el mundo real.

Hasta no hace mucho, la única manera de poder trabajar con datos físicos consistía

en atracar una gasolinera y adquirir un sistema comercial de adquisición de datos

(DAQ) como los deNational Instruments; afortunadamente hoy en día hay alternativas

uno o dos órdenes  de magnitud más asequibles: una de ellas es el popular

microcontrolador Arduino.

Uno de los ejemplos más básicos consiste en leer datos de un sensor conectado al

Arduino y transmitirlos al PC mediante comunicación serie; sin embargo, este ejemplo

tiene dos limitaciones: se limita a un único sensor y los datos se leen numéricamente

en pantalla, pero no es posible adquirirlos ni trabajar con ellos. Por eso me ha

parecido interesante compartir este ejemplo, que me ha costado unos cuantos dolores

de cabeza!

El objetivo será pues leer una señal analógica de dos (extensible fácilmente a más)

sensores (en este caso potenciómetros) y transmitirla a Matlab, a fin de poder trabajar

con ella.

Configuración de Arduino

En primer lugar, vamos a preparar el Arduino. Conectamos los potenciómetros entre

los pines de +5V y Gnd (neutro) y sus pines centrales (que por tanto presentarán un

voltaje entre +5V y 0V) a las entradas analógicas A0 y A1 del Arduino, de esta

manera:

Fig1: conexión de los potenciómetros al Arduino

Por supuesto, cualquier otro sensor analógico sirve exactamente igual para este

ejemplo. A continuación, hemos de programar el Arduino, para que recoja la

información de A0 y A1 y la envíe via serie; el formato del envío consiste en: valor de A0, coma, valor de A1 y retorno de carro + línea nueva (debido a que se usa

la función Serial.println() al final)1234567891011121314151617181920

// definir variablesint out1 = 0;int out2 = 0;

void setup() {   // inicializar puerto serie   Serial.begin(9600);}

void loop() {   // leer pines   out1 = analogRead(A0);   out2 = analogRead(A1);   // enviar   Serial.print(out1);   Serial.print(",");   Serial.println(out2);   // esperar   delay(20);}

Configuración de Matlab

Una vez configurado el Arduino, los datos se enviarán por la propia conexión USB,

pero simulando un puerto serie que deberemos conocer (desde la propia interfaz de

Arduino se puede averiguar). En este caso, en el entorno Windows, el puerto será el

COM4. El primer paso será crear un objeto serie en Matlab y abrirlo para empezar a

leer:

1234567

%borrar previosdelete(instrfind({'Port'},{'COM4'}));%crear objeto series = serial('COM4','BaudRate',9600,'Terminator','CR/LF');warning('off','MATLAB:serial:fscanf:unsuccessfulRead');%abrir puertofopen(s);

El siguiente paso es preparar la medida, ajustando dos parámetros: el tiempo total de

medida, y la velocidad de capturas por segundo. Éste último parámetro hay que

estimarlo, pero haremos que que el programa nos devuelva el valor real, con lo que si

éste se aleja de lo estimado será inmediato corregirlo.

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% parámetros de medidastmax = 10; % tiempo de captura en srate = 33; % resultado experimental (comprobar)

A continuación preparamos la figura en la que leeremos la señal de ambos

potenciómetros. Abrimos una nueva ventana y unos nuevos ejes, y creamos dos

objetos gráficos de tipo línea, que iremos actualizando a medida que tengamos los

datos. De esta manera Matlab no se saturará, que es lo que pasaría si intentásemos

utilizar la función plot() dentro del bucle.

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% preparar la figuraf = figure('Name','Captura');a = axes('XLim',[0 tmax],'YLim',[0 5.1]);l1 = line(nan,nan,'Color','r','LineWidth',2);l2 = line(nan,nan,'Color','b','LineWidth',2);

xlabel('Tiempo (s)')ylabel('Voltaje (V)')title('Captura de voltaje en tiempo real con Arduino')grid onhold on

El núcleo del programa es el bucle de medida, en el cual iremos leyendo del puerto

serie los datos en el formato que hemos especificado, midiendo el tiempo de ejecución

y actualizando los dos objetos línea creados anteriormente: los datos Y serán los

voltajes medidos hasta el momento y los datos X el tiempo de ejecución. Al salir del

bucle, imprimiremos el dato de capturas por segundo que hemos estimado arriba.

12345678910111213141516171819202122232425

% inicializarv1 = zeros(1,tmax*rate);v2 = zeros(1,tmax*rate);i = 1;t = 0;

% ejecutar bucle cronometradoticwhile t<tmax    t = toc;    % leer del puerto serie    a = fscanf(s,'%d,%d')';    v1(i)=a(1)*5/1024;    v2(i)=a(2)*5/1024;    % dibujar en la figura    x = linspace(0,i/rate,i);    set(l1,'YData',v1(1:i),'XData',x);    set(l2,'YData',v2(1:i),'XData',x);    drawnow    % seguir    i = i+1;end% resultado del cronometroclc;fprintf('%g s de captura a %g cap/s \n',t,i/t);

Si queremos, podemos salvar la figura en forma de PDF (vectorial) o cualquier otro

formato que queramos. Para esto yo uso una maravillosa función externa creada por

Aslak Grinsted (que tiene un nombre como un poco Harry Potter).1 savefigure('captura_multi','s',[4.5 3],'po','-dpdf')

Por último, cerramos el puerto serie (para que otras aplicaciones lo puedan utilizar) y

eliminamos el objeto serie que hemos creado en el primer paso.

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%% Limpiar la escena del crimenfclose(s);delete(s);clear s;

Resultado y ejemplo de captura

Con el código del ejemplo, obtendríamos una figura semejante a esta:

Por supuesto, una vez recogidos los datos en las variables v1 y v2, ya podemos

analizarlos de cualquier manera que se nos ocurra: podemos realizar un análisis

espectral mediante transformada rápida de Fourier; graficarlos frente a otras

variables, realizar un test de correlación, salvarlos en formato Excel, etc.

También, en un alarde de esplendor multimedia, tenemos un muy borroso vídeo de

todo el montaje en acción, capturando la figura anterior, que es automáticamente

sincronizada en Dropbox, como se puede intuir observar al final del vídeo: