6_Sensor de velocidad de rotaciÃn del rotor principal

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3 Sensor de velocidad de rotación del rotor principal 
 
En este capítulo se realiza una descripción detallada tanto de la solución adoptada 
para obtener una medida de la velocidad de rotación del rotor principal del helicóptero 
como de los procedimientos empleados para obtener dicha solución. El proceso de 
obtención de la solución se puede separar en tres vertientes que parten de una idea 
inicial en la que se concreta qué tipo de sensor se va a implementar y deben converger 
en un dispositivo plenamente funcional. Estas tres vertientes son: 
 
• El diseño de la configuración física del sensor y su construcción (sujeciones 
mecánicas, conexiones eléctricas, etc.). 
• El estudio del sensor y la interpretación y traducción de las medidas que 
proporciona, de forma que sepamos exactamente qué tipo de dato llega al 
circuito de adquisición de datos de la caja de aviónica. En apartados 
posteriores nos referiremos a esta tarea como la caracterización del sensor. 
• El diseño de los algoritmos lógicos y de cálculo que forman parte de la 
aplicación informática con la que debe interactuar el usuario, así como la 
programación de la propia aplicación. Dicha aplicación debe procesar 
correctamente la medida recibida del circuito de adquisición de datos y 
devolver al usuario en distintos soportes un valor con las dimensiones 
físicas adecuadas. 
 
Esta estructura de procesos en paralelo responde a la complejidad intrínseca del 
proyecto. Desarrollar los distintos aspectos del proyecto en paralelo ha conducido a 
diversas relaciones transversales entre las vertientes, que con frecuencia se han visto 
paralizadas hasta que un hito necesario de otra vertiente se completaba. Es el caso del 
programa informático, que no se ha validado hasta que el sensor estaba caracterizado y 
una construcción temporal que permitiera realizar las pruebas pertinentes estaba 
operativa. Dichas pruebas se realizaron primero con el ventilador de un ordenador, y 
posteriormente con otro helicóptero de menor tamaño y coste operativo que el Raptor. 
Sin embargo, el programa informático fue la primera vertiente en desarrollarse, ya que 
una gran parte del trabajo inicial del proyecto fue adquirir unos conocimientos sólidos 
de programación en C, suficientes para elaborar un programa que cumpliera con los 
requisitos establecidos. 
 
Las relaciones cronológicas entre los distintos hitos de las tres vertientes son 
complejas, y se presentan a continuación en un diagrama de flujo de forma resumida. 
Se han utilizado iconos con forma de semáforo para indicar que un hito de la vertiente A 
estaba paralizando el desarrollo de la vertiente B. 
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Figura 3.1: Diagrama de flujo del proceso de diseño 
 
 
 
 
 
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3.1 Alternativas tecnológicas 
 
Previo a la elección de un sensor específico se realizó un estudio de las posibles 
tecnologías y dispositivos representativos de cada una que fueran aplicables al proyecto. 
Siempre bajo el paraguas de los criterios ya mencionados en la introducción, se 
consideran adicionalmente algunos condicionantes particulares de un sensor de estas 
características: 
 
• Características de la medida: Son factores determinantes para la elección 
el tipo de salida que emite el sensor y su compatibilidad con el circuito de 
adquisición de la caja de aviónica. 
• Interferencias: Distintas tecnologías sufren interferencias de naturalezas 
dispares. Considerando el contexto en el que se va a emplear el sensor, 
hay tecnologías preferentes porque el tipo de interferencia (óptica, 
electromagnética, mecánica...) que más le afecta es de poca importancia 
en nuestra aplicación 
• Configuración física: Es crucial conocer la fisonomía y las dimensiones 
del sensor para determinar su selección. Existe un número limitado de 
posibles colocaciones (deben formar parte de los ejes de rotación, del 
motor o del rotor principal) y el sensor debe adaptarse a alguna de ellas. 
 
El estudio proporcionó tres tecnologías candidatas a cumplir la funcionalidad 
exigida; el sensor magnético de Efecto Hall, el tacómetro de efecto estroboscópico y el 
sensor óptico reflectante o pasante de fotodiodo y transistor fotosensible. Cada una 
presenta ventajas e inconvenientes que se reconocerán con una descripción breve de las 
tres. 
 
Sensor de efecto Hall 
 
Edwin Hall descubrió en 1879 que, dada una corriente eléctrica circulando por un 
conductor de forma que el flujo es homogéneo para una sección cualquiera del mismo, 
un campo magnético transversal a la dirección de la corriente genera una diferencia de 
potencial eléctrico perpendicular a ambas magnitudes, formando las tres un triedro 
ortogonal. El efecto apreciable es una caída de tensión en el conductor transversal a la 
corriente y se denomina efecto Hall. 
 
Según la teoría corpuscular del electromagnetismo, la corriente eléctrica es la 
manifestación del movimiento de partículas portadoras de carga eléctrica (electrones y 
huecos). En ausencia de un campo magnético transversal, estas portadoras circulan con 
una distribución uniforme en la sección del conductor. Por simplicidad geométrica, 
supondremos que el conductor es plano. En presencia de un campo magnético, las 
cargas en movimiento experimentan una fuerza que es perpendicular a la velocidad de 
la partícula y al campo magnético. Esta fuerza desvía las trayectorias de las partículas y 
provoca una concentración de cargas de un mismo signo en una de las paredes del 
conductor, y una concentración de cargas de signo opuesto en la pared opuesta. Esta 
distribución asimétrica de cargas provoca una diferencia de potencial eléctrico entre las 
paredes del conductor, transversal a la corriente, cuya manifestación es el efecto Hall. 
 
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Figura 3.2: Representación del efecto Hall 
 
 
En las ilustraciones mostradas sobre estas líneas se puede observar la diferencia de 
potencial (en la figura de la izquierda) y la deflexión de la corriente (en la figura de la 
derecha); son manifestaciones del efecto Hall. 
 
Un sensor de efecto Hall en su versión más simple consiste en un transductor que 
detecta alteraciones en el campo magnético y varía su tensión de salida en consecuencia. 
Existen numerosas aplicaciones que se pueden aprovechar de este efecto. En nuestro 
caso, se pretende utilizar un imán permanente de material ferromagnético que provoque 
picos de tensión en la salida del sensor cuando pase cerca del mismo. El imán va fijado 
al eje giratorio y el sensor se coloca de forma que, en cada vuelta, el imán pase por 
delante del sensor, a una distancia de pocos milímetros. Cuando el rotor gire a una 
velocidad determinada, la frecuencia de los picos de tensión nos proporciona la 
velocidad de giro. A continuación se muestra un sensor de efecto Hall montado en el 
eje del motor de un helicóptero de aeromodelismo. Para mayor claridad, el imán se ha 
rodeado con un círculo rojo y la cabeza del sensor con un círculo azul. 
 
 . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.3: Ubicación del sensor de efecto Hall 
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El sensor de efecto Hall presenta algunos inconvenientes que pueden afectar al 
correcto funcionamiento del aparato. En primer lugar, el sensor puede sufrir 
perturbaciones en el campo magnético que percibe inducidas por los grandes bloques 
metálicos de las piezas del motor. Estas piezas pueden imantarse de forma permanente 
si son expuestas a campos magnéticos de suficiente intensidad. Estas perturbaciones 
pueden llegar a generar pulsos falsos de cuenta de vuelta y estropear elvalor de 
velocidad de giro obtenido. Por otro lado, el sensor magnético requiere estar a menos 
de 2 mm del imán para medir correctamente. Una distancia tan pequeña con 
velocidades de giro de miles de revoluciones por minuto y vibraciones debidas a los 
desequilibrios de los ejes puede provocar impactos entre ambos elementos con 
posibilidades de ser catastróficos para el sensor. 
 
Tacómetro de efecto estroboscópico 
 
El efecto estroboscópico se puede observar fácilmente cuando un disco giratorio 
gira a la misma frecuencia a la que lo ilumina la luz que incide sobre él. Si el disco 
tiene algún punto aislable visualmente, cuando se produce el efecto estroboscópico, 
dicho punto permanecerá aparentemente fijo en una posición (aunque evidentemente 
está girando con el resto del disco). Este efecto sólo es posible si la luz que ilumina el 
disco es intermitente, como por ejemplo la luz doméstica generada con corriente alterna. 
 
Un tacómetro de efecto estroboscópico se basa en este fenómeno para medir la 
velocidad de revolución de un elemento giratorio, como puede ser el rotor de un 
helicóptero. Tiene una fuente de luz estroboscópica (intermitente), normalmente en la 
banda infrarroja del espectro, que incide sobre la superficie giratoria. En dicha 
superficie se coloca un elemento reflectante, de dimensiones lo más próximas posibles a 
las del haz de luz del tacómetro. La fuente emisora comienza un barrido de frecuencias, 
dentro de sus límites establecidos, y compara la reflexión recibida en su receptor con la 
frecuencia de emisión. Cuando ambas señales coinciden en frecuencia, se “congela” el 
barrido y la frecuencia de emisión, debido al efecto estroboscópico, es la velocidad de 
giro del elemento giratorio. 
 
El tacómetro de efecto estroboscópico se ha empleado durante el proceso de 
caracterización y validación en varias pruebas realizadas en el laboratorio para tener una 
medida alternativa a la que proporciona el sensor implementado. Sin embargo, no es 
apto para utilizarlo en el helicóptero por ser demasiado voluminoso y carecer de una 
interfaz cómoda de salida a los circuitos TTL. Su rol se ha limitado al de herramienta 
auxiliar, y ha servido para comprobar que el sistema del sensor óptico implementado 
funciona correctamente. En el siguiente apartado se describe detalladamente el sensor 
óptico fotoeléctrico reflectante, tecnología elegida para obtener las r.p.m. del 
helicóptero. 
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3.1.1 Sensor óptico fotoeléctrico reflectante 
 
La tecnología del sensor óptico fotoeléctrico reflectante se eligió para su aplicación 
a este proyecto por cumplir los requisitos del mismo y presentar ciertas ventajas frente 
al sensor magnético de efecto Hall y el tacómetro. Entre ellas es destacable la facilidad 
de instalación en el plato del ventilador del motor. El sensor magnético requiere instalar 
un imán cuyas características magnéticas se pueden degradar con el tiempo. Además, 
su instalación requiere realizar modificaciones mecánicas permanentes en el ventilador 
y utilizar adhesivos de tipo epoxi. Por otro lado, el sensor óptico sólo requiere fijar una 
tira reflectante autoadhesiva a la superficie del plato del ventilador. El sensor 
magnético también presenta el inconveniente de estar expuesto a interferencias 
magnéticas no controlables. Al estar acoplado al bloque del motor, está rodeado de 
piezas metálicas que pueden imantarse de forma permanente, por ejemplo, por una 
instalación previa de imanes y sensor magnético. Estos imanes permanentes pueden ser 
fuentes importantes de interferencia y trastornar las medidas del sensor. Las 
interferencias en el sensor óptico son todas debidas a fuentes de luz externas y pueden 
ser anuladas con una disposición adecuada de barreras opacas. El tacómetro se descartó 
por su baja precisión (resolución máxima de 100 r.p.m.)y por la ausencia en el mercado 
de aparatos fácilmente embarcables en nuestra plataforma y con salidas digitales que 
pudieran enviarse a nuestro circuito de adquisición. En cuanto al sensor óptico pasante, 
se descarta su uso por ser de mayor tamaño que el reflectante y presentar mayores 
complicaciones para diseñar una configuración tanto en el ventilador del motor como en 
el rotor principal que proporcione una medida correcta de la velocidad de revolución. 
 
Principio de funcionamiento 
 
El sensor fotoeléctrico reflectante basa su medición en la recepción de un estímulo 
luminoso que él mismo genera. Emite constantemente un haz de luz que se refleja 
cuando la superficie sobre la que incide es propicia para ello. El receptor recibe el haz y 
lo convierte en una señal eléctrica. La calidad de la medida será mayor cuanto mayor 
sea el contraste entre las zonas que deben ser reflectantes y las que no. El sensor debe 
apuntar hacia un plano con su haz perpendicular a dicho plano, y está diseñado para 
operar correctamente a una distancia del mismo de pocos milímetros. Las superficies 
ideales para el funcionamiento del sensor óptico en nuestro helicóptero son la culata del 
ventilador del motor y el engranaje reductor del rotor principal. Para provocar una 
reflexión lo más intensa posible, se coloca una tira reflectante en la superficie de 
reflexión. Los sensores ópticos reflectantes se utilizan en robótica como sensores de 
proximidad. El robot se programa para que un umbral bajo de intensidad luminosa se 
considere como un objeto próximo. En nuestra aplicación tendremos un objeto 
permanentemente reflejando sobre el sensor, pero la reflexión de la franja reflectante 
será de una intensidad mucho mayor y se podrá diferenciar fácilmente entre un valor 
“alto” de medida y un fondo de baja intensidad. Para aumentar el contraste entre “alto” 
y “bajo” puede ser necesario “matar” la superficie sobre la que se coloca la tira 
reflectante mediante un lijado. A continuación se muestra una figura con el esquema de 
funcionamiento de un sensor óptico reflectante. 
 
 
 
 
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Figura 3.4: Esquema de funcionamiento de un sensor reflectante de efecto fotoeléctrico 
 
3.1.2 El sensor fotoeléctrico OMRON EE-SF5 
 
La elección del sensor óptico fotoeléctrico reflectante de la casa OMRON responde 
de forma muy satisfactoria a las necesidades del proyecto por diversos motivos: 
 
• Lo más destacable es su diseño compacto, que permite instalarlo en los 
espacios reducidos adyacentes al motor del helicóptero. 
• El encapsulado es estanco, de forma que los circuitos internos y sus 
dispositivos no son accesibles sin destruir el sensor, que además es 
resistente al desgaste propio de un uso responsable. 
• Se puede fijar a cualquier soporte mediante tornillos de métrica M2, con la 
flexibilidad que esto supone para instalarlo en cualquier plataforma. 
• Se suministra con patillas preparadas para la soldadura con estaño. Esto 
facilita las operaciones de conexionado del sensor a los elementos 
necesarios para obtener una salida en los intervalos de tensión adecuados a 
la lógica TTL. 
 
Sus dimensiones son, sin contar las patillas de los terminales de los circuitos, las de 
un prisma de 13x8x5.4 mm. Las patillas tienen una longitud de 10 mm. Puede 
funcionar en un amplio intervalo de temperaturas, desde los 25º C bajo cero hasta los 
80º C sobre cero. A continuación se presenta un plano acotado del sensor. Las iniciales 
A, K, E y C de la vista inferior representan los terminales ánodo y cátodo del diodo y 
emisor y colector del transistor, en el orden en el que están escritas. 
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Figura 3.5: Plano acotado del sensor OMRON EE-SF5 
 
 
Circuito eléctrico 
 
El circuito eléctrico del sensor se puede resumir en el siguiente esquema: 
 
 
 
 
 
 
Donde los terminales Ay K son el ánodo y cátodo del diodo fotoemisor y los 
terminales C y E son el colector y el emisor del transistor fotorreceptor. El diodo tiene 
las siguientes características eléctricas (a 25º C de temperatura ambiente): 
 
Valores máximos a 25º C 
 
Corriente directa: 50 mA 
Corriente directa (pulso de 10 μs y 100Hz): 1 A 
Tensión inversa: 4 V 
 
Valores característicos a 25 º C 
 
Tensión directa: 1.2 – 1.5 V con corriente directa de 30 mA 
Corriente inversa: 0.01 – 10 μA con tensión inversa de 4 V 
 
La emisión de luz es máxima para una longitud de onda de 940 nm (banda 
infrarroja) con una corriente directa de 20 mA. 
 
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El funcionamiento del sensor se basa en el efecto fotoeléctrico que se produce tanto 
en el LED (Light Emitting Diode) o fotodiodo como en el fototransistor receptor. El 
LED emite luz siempre que haya una corriente eléctrica entre su ánodo y cátodo. Esta 
luz emitida se refleja en una superficie que la devuelve al sensor, haciéndola incidir 
sobre el fototransistor. Este transistor, sensible a la luz recibida, genera una corriente 
eléctrica de valor proporcional a la intensidad de la luz. Esta corriente sale por el 
terminal emisor del mismo. El resultado obtenido es una corriente eléctrica de un valor 
conocido (a partir de las especificaciones del transistor) generada cada vez que se 
produce una reflexión. Cuanto mayor sea el contraste entre el sector reflectante de la 
superficie y la zona que no queremos que reflecte, mayor diferencia habrá entre las 
corrientes eléctricas generadas y más notoria será la reflexión para el sistema de 
adquisición. Con valores de resistencias eléctricas adecuados se puede transformar la 
corriente a un nivel de tensión compatible con la lógica del circuito de adquisición de 
datos de nuestro sistema de aviónica. A continuación se presentan las especificaciones 
más notorias del fototransistor: 
 
Valores máximos a 25º C 
 
Tensión colector-emisor: 30 V 
Corriente de colector: 20 mA 
Potencia disipada en el colector: 100 mW 
 
Valores característicos a 25º C 
 
Corriente “iluminado”: 0.2 - 2 mA 
 
con 
• intensidad directa en el diodo de 20 mA 
• tensión colector-emisor de 10 V 
• papel reflectante del 90% situado a 5 mm del sensor 
 
Corriente “en sombra”: 2 – 200 nA con tensión colector-emisor de 10 V 
 
La sensibilidad del receptor de luz es máxima para una longitud de onda de 850 nm 
(banda infrarroja). Cabe señalar la importancia de que el diodo y el transistor estén 
“sintonizados” a longitudes de onda similares para que el sensor sea eficaz. 
 
En el siguiente apartado se describe el dispositivo Throttle Jockey de la casa Model 
Avionics. Este dispositivo se basa en el sensor óptico descrito en este apartado y un 
circuito electrónico auxiliar que proporciona al usuario regulación automática del motor 
del helicóptero. Para poder actuar sobre los servos de radiocontrol, convierte los picos 
de intensidad del emisor debidos a las reflexiones en pulsos modulados en su ancho 
(PWM), las señales de control utilizadas en los servomecanismos del helicóptero. 
Debido a este acondicionamiento electrónico necesario que proporciona el Throttle 
Jockey off-the-shelf se ha considerado incorporarlo a nuestro sistema de adquisición de 
velocidad de revolución del rotor principal. 
 
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3.1.3 El regulador Throttle Jockey 
 
El Throttle Jockey es un regulador digital de la velocidad de giro del motor diseñado 
específicamente para helicópteros de aeromodelismo. Utiliza un algoritmo de 
proalimentación (feed-forward) adaptativo para mantener la velocidad de giro del motor 
constante. Se emplea proalimentación por tener este tipo de control una respuesta más 
rápida que la realimentación clásica. El algoritmo adaptativo se utiliza para tener 
alguna referencia de la respuesta del motor, empleando como realimentación en un 
instante dado una combinación de las respuestas de varios instantes precedentes. 
 
Su función es mantener la velocidad de giro del rotor en el régimen que le indique la 
emisora, es decir, el piloto. La dinámica de un helicóptero se caracteriza por tener 
interdependencias muy complejas entre las variables. Es habitual, por ejemplo, que 
disminuya la velocidad de giro del rotor cuando se aumenta el paso colectivo de las 
palas. Este comportamiento se debe principalmente al aumento de la resistencia 
aerodinámica de la pala cuando ésta aumenta su ángulo de ataque. En esta situación, el 
Throttle Jockey detecta una disminución de la velocidad de giro e incrementa 
progresivamente la apertura de la válvula de admisión hasta que el motor recupera la 
velocidad que le corresponde según la posición de los mandos en la emisora. 
 
El Throttle Jockey está diseñado para regular la velocidad de giro en un intervalo 
comprendido entre las 9500 y las 20500 r.p.m. Es por éste motivo que debe colocarse 
en el eje del motor. Para una relación de engranajes típica entre rotor principal y motor 
de 9:1, el intervalo de regulación en el rotor principal sería desde 1055 hasta 2253 r.p.m. 
Los reguladores que actúan directamente sobre el rotor principal tienden a acelerarse 
por encima de la velocidad deseada (overspeed) por ser la dinámica del rotor principal 
más lenta que la del motor. 
 
En nuestra aplicación particular, al no precisar la función reguladora del Throttle 
Jockey, es indiferente situar el sensor en el rotor principal o en el motor. Se ha decidido 
situarlo en el rotor principal, con el sensor incidiendo sobre la superficie plana del 
engranaje principal, por comodidad al instalarlo en ese emplazamiento. Sin embargo, 
también se ha estudiado su instalación en el motor, con el sensor incidiendo sobre la 
superficie plana del ventilador, con resultados satisfactorios. Utilizar uno u otro 
emplazamiento tiene consecuencias directas en el programa de cálculo, ya que si se 
coloca en el motor, es necesario corregir el dato final de las r.p.m. con la relación de 
dientes entre los engranajes del eje del motor y el eje del rotor principal. 
 
A continuación se presenta un esquema del regulador con las conexiones que tiene a 
los distintos dispositivos con los que interactúa. 
 
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Figura 3.6: Conexiones del Throttle Jockey 
 
 
 
En la figura se pueden observar las conexiones que el Throttle Jockey mantiene con 
el receptor, el sensor y el servo de la válvula de admisión. El regulador tiene dos 
entradas desde el receptor, una entrada desde el sensor y una salida al servo. El canal 
auxiliar del receptor se utiliza para apagar el regulador y marcar la velocidad de 
regulación. El canal de “throttle” (gases) del receptor envía las señales generadas con la 
palanca de gases desde los mandos. El canal del sensor envía al regulador la velocidad 
de giro del eje a una tasa de muestreo adecuada para el algoritmo de control y el canal 
del servo envía las instrucciones al servo de la válvula de admisión. 
 
El lector perspicaz se preguntará qué papel tiene el Throttle Jockey en la lectura de 
las medidas que realiza el sensor. Incluso se preguntará cómo hace llegar las medidas al 
sistema de aviónica. El sensor óptico genera un pico de corriente cuando recibe una 
reflexión. Este pico de corriente ha de transformarse a un nivel de tensión compatible 
con la lógica TTL de los circuitos de adquisición de datos de la Hércules. La 
implementación del sensor requiere por lo tanto el diseño de un circuito auxiliar que 
transforme la medida a una señal interpretable por la Hércules. Los circuitos auxiliares 
del Throttle Jockey realizan este acondicionamiento y generan unos pulsos 
especialmente adecuados para calcular las r.pm. en el eje por el canal de salida al servo. 
Mediante el canal de entrada auxiliar se puedeactivar o desactivar el regulador. 
Cuando el regulador está activado, la salida al servo envía señales de mando PWM que 
no son medidas directas. Cuando el regulador está desactivado, la salida al servo envía 
pulsos rectificados y filtrados cuyo ancho es exactamente el periodo entre reflexiones y 
por lo tanto la inversa de la velocidad de giro del eje. En el siguiente apartado se 
describe el circuito diseñado para hacer llegar las medidas del sensor utilizando el 
Throttle Jockey y se compara con un diseño del autor que no utiliza el regulador 
comercial. 
 
 
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3.1.4 Throttle Jockey vs. circuito de diseño propio 
 
El sensor óptico es un dispositivo que emite un pico de corriente cuando es irradiado 
con luz de una banda de frecuencia determinada. Por otro lado, la caja de aviónica tiene 
un circuito de adquisición de lógica TTL que tiene dos estados con dos niveles de 
tensión distintos (en torno a 0 V para un 0 lógico y en torno a 4 V para un 1 lógico). Es 
necesario suministrar los valores de tensión y corriente adecuados al sensor y los niveles 
necesarios de tensión al circuito TTL. Además, el sensor óptico se compone de 
dispositivos eléctronicos, diodo y transistor, que deben operar con unas intensidades y 
tensiones determinadas para que su funcionamiento sea óptimo. Estas necesidades se 
han satisfecho con dos soluciones distintas; una está íntegramente diseñada por el autor 
y la otra consiste en el Throttle Jockey mencionado anteriormente. Aunque finalmente 
se ha implementado la solución comercial, se ha realizado el diseño de un circuito que 
cumpla los requisitos mencionados. En este apartado se analizan y describen 
detalladamente ambas soluciones. 
 
Diseño del autor 
 
Utilizando las curvas características de los dispositivos del sensor, se ha diseñado un 
circuito que envía pulsos de tensión que provocan unos y ceros en la lógica de la 
Hércules. Este circuito también proporciona, mediante resistencias y fuentes de tensión 
calculadas, los valores de intensidad en el diodo y tensión en el transistor para obtener 
una reflexión óptima. A continuación se detalla el esquema eléctrico del circuito: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
100 O
1 KO
1.2 V
5 V4.2 V
30 mA
1 mA
Figura 3.7: Diagrama eléctrico del circuito del autor 
 
 
 
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Con este circuito se obtiene una señal en la salida como la que se representa a 
continuación (para obtener un pulso limpio es necesario añadir un circuito de 
acondicionamiento mediante filtros): 
 
 
 
Los valores indicados corresponden a una configuración en la que se ha considerado 
el disco del eje del motor con el sensor situado a 20.71 mm del centro girando a 14000 
r.p.m. Si el ancho del pulso es demasiado pequeño (con velocidades de giro muy 
elevadas o distancias del sensor al centro muy grandes) es posible que el transistor no 
tenga tiempo para llegar a nivel alto. Se debe tener en cuenta el tiempo de subida del 
transistor, con un valor típico de 30 μs (extraído de las especificaciones del sensor). 
Con la velocidad de giro y el radio de la posición del sensor considerados, el tiempo 
durante el cual se produce reflexión es de aproximadamente 330 μs, suficiente para que 
el transistor llegue a nivel alto. Esta combinación de velocidad de giro y distancia al 
centro es el caso más crítico de mínimo ancho de pulso, como se puede extraer de las 
dimensiones y velocidades de giro máximas del ventilador del motor y el engranaje del 
rotor principal: 
 
 Diámetro (mm) Dientes Velocidad de giro (rpm) 
Rotor 88.14 87 258 - 1448 
Ventilador 41.42 9 2500 - 14000 
 
 Para realizar estos cálculos de ancho de pulso se ha considerado una región de 
reflexión equivalente a 10 mm de arco de circunferencia. Se detalla un diagrama 
ilustrativo con los cálculos a continuación. 
 
 
 
 
 
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mmPerímetro 1.13070.202 =⋅⋅= π
077.0
1.130
10
==
Perímetro
a
mss
f
THzrpm 3.40043.0133.23314000 ===→→
a=10.00
r=20.70
sTpulsodeAncho μ330077.0 =⋅=
 
 
Figura 3.8: Diagrama y cálculos del ancho del pulso emitido por el sensor 
 
Throttle Jockey 
 
El dispositivo Throttle Jockey está diseñado para intervenir directamente en el 
control de la válvula de admisión del helicóptero realizando una función de regulación. 
En este proyecto, en el que no deseamos que el Throttle Jockey realice dicha regulación, 
se ha empleado este dispositivo por dos motivos principales: 
 
• El Throttle Jockey viene acompañado de un sensor óptico que incluye 
todos los elementos eléctricos necesarios para proporcionar un nivel de 
tensión alto cuando recibe luz y uno bajo cuando no la recibe, ambos 
compatibles con lógica TTL como 1 y 0 lógicos, respectivamente. 
• El Throttle Jockey acondiciona la señal que proviene del sensor para 
generar un pulso cuadrado uniforme, cuyo ancho es el periodo de 
rotación del eje cuya velocidad de giro se está midiendo, que es idóneo 
para ser capturado por el circuito de adquisición de datos digitales de la 
placa Hércules. 
 
El dispositivo Throttle Jockey contiene el microcontrolador programable 
CY8C25122 de la casa Cypress. Este microcontrolador contiene una CPU de 8 bits, 
memorias Flash para programas ejecutables y SRAM para datos, y dispositivos 
analógicos y digitales de entrada y salida. Este microcontrolador se puede programar 
por el usuario para realizar una multitud de funciones que incluyen tratamiento de 
señales y operaciones lógicas. En el Throttle Jockey se utiliza su capacidad para 
generar pulsos PWM para generar las señales de control que se envían al servo de la 
válvula de admisión del motor. Con estas señales y la información del sensor óptico el 
Throttle Jockey es capaz de mantener la velocidad de rotación del eje del motor en un 
valor predefinido. En este proyecto no se utiliza esta función de regulación del Throttle 
Jockey. 
 
 
 
 
 
 
 
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En este proyecto se utiliza la funcionalidad de tratamiento de señal e inversión 
lógica programada por el fabricante del Throttle Jockey. Concretamente, el 
microcontrolador está programado para realizar una inversión lógica (puerta NOT) de la 
señal que proviene del sensor óptico. Recordemos que la señal que proviene del sensor 
consiste en un tren de pulsos cortos a nivel alto intercalados con largos periodos a nivel 
bajo. Además, la señal de salida del microcontrolador es más regular y está “suavizada” 
respecto de la señal que le llega del sensor. Este suavizado se produce a su paso por los 
transistores de la puerta lógica. El ancho de estos pulsos de salida es el periodo de 
rotación del eje cuya velocidad de giro mide el sensor óptico, al igual que la distancia 
entre los pulsos cortos de la señal que proviene del sensor óptico es también dicho 
periodo de rotación. 
 
La reproducción de la señal de entrada con tratamiento e inversión lógica se produce 
siempre que la función de regulación esté desactivada, ya que cuando ésta está activada, 
la señal de salida del microcontrolador es un pulso PWM con la anchura adecuada en 
cada instante para regular la velocidad de rotación del eje del motor. Para 
activar/desactivar el regulador se utiliza el canal AUX de entrada al Throttle Jockey. A 
este canal se debe asignar un mando con recorrido gradual o varias posiciones. 
Previamente el Throttle Jockey debe haber sido calibrado con el recorrido del mando 
asignado. El regulador está programado para desactivarse si el mando se encuentra en 
una posición comprendida entre el -5% y el 5% de su recorrido. En este proyecto se 
operará siempre con el regulador desactivado. Para ello se mantendrá físicamente 
desconectado el canal AUX, ya que el regulador nunca entrará en funcionamiento 
mientras no recibaseñal por dicho canal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.9: Throttle Jockey 
 
 3:15
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
3.2 Adquisición de las medidas 
 
Una vez elegido un sensor y conocida la señal que proporciona, es necesario diseñar 
toda la infraestructura eléctrica que transporte dicha señal al sistema de aviónica y toda 
la aplicación informática que interprete las señales digitales y las convierta en variables 
en memoria con valores de una magnitud física (en nuestro caso velocidad angular). En 
la sección anterior se han descrito los elementos necesarios para transformar la señal de 
salida del sensor en una señal de tensión compatible con la lógica TTL de la placa de 
aviónica. Se entiende por compatible que provoque: 
 
• un “1” lógico cuando el receptor del sensor está iluminado y un “0” lógico 
cuando el receptor está “a oscuras” en el circuito de diseño propio. 
• un “0” lógico cuando el receptor está iluminado y un “1” lógico cuando el 
receptor está “a oscuras” en el circuito del Throttle Jockey. 
 
Cualquiera de estas dos señales nos permite calcular directamente el periodo de 
rotación del eje sobre el que incide el sensor simplemente contando pulsos elementales 
de una señal reloj cuyos parámetros en la escala temporal podemos configurar para 
elegir arbitrariamente la unidad básica de tiempo y por lo tanto la resolución del sensor. 
El procedimiento de cálculo del periodo de rotación se describe detalladamente en un 
apartado posterior de esta sección. Una vez se tiene el periodo, la obtención de la 
velocidad de giro se reduce a un problema de cálculo elemental. 
 
En esta sección se describen detalladamente el sistema de adquisición de datos 
digitales de la Hércules, las conexiones al mismo del circuito del sensor y el intérprete 
informático que se ha programado para obtener valores de las medidas deseadas en las 
unidades adecuadas. 
 
Lógica TTL 
 
La “Transistor to Transistor Logic” o TTL es una tecnología de construcción de 
circuitos electrónicos digitales en la que tanto los elementos de decisión o “puertas 
lógicas” como los elementos de amplificación de señal son transistores de unión bipolar. 
A menudo se extiende la denominación TTL a cualquier circuito con niveles de tensión 
compatibles con esta tecnología, aunque esté construido con una tecnología distinta. La 
mayoría de los dispositivos comerciales de microelectrónica incorporan circuitos de 
acondicionamiento para garantizar la 
compatibilidad con TTL. El circuito de 
adquisición de la placa Hércules no utiliza lógica 
TTL, sino que es una FPGA (Field Programmable 
Gate Array), tecnología más avanzada que la TTL. 
Aquí participaremos en el abuso de nomenclatura 
y hablaremos de la lógica TTL de la Hércules. En 
la imagen se puede observar un circuito típico de 
una puerta lógica TTL. La alimentación nominal 
de estos circuitos es de 5 V, el nivel alto de 
tensión entre 2.4 V y la tensión e alimentación, y 
el nivel bajo entre 0.2 y 0.8 V. 
 
 3:16
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
3.2.1 Subsistema de adquisición de datos digitales 
 
El subsistema de adquisición de datos digitales tiene un circuito de entradas y 
salidas de 50 pines. Se alimenta con una tensión de 5 Vcc ± 5% y consume una 
corriente de entre 0.7 y 1.1 A. Puede operar a temperaturas mínimas de 40º C bajo cero 
y máximas de 85 º C; y a humedad ambiental comprendida entre el 5% y el 95% sin 
condensación. El circuito dispone de 32 líneas configurables como entradas o salidas 
con las siguientes especificaciones: 
 
ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES 
Número de líneas 40 (32 dedicadas divididas en 4 puertos de 8 bits más 2 
configurables de 4 bits cada una)
Compatibilidad Lógica de 3.3 V y 5 V
Tensión de entrada ‘0’ lógico: -0.5 V mín, 0.8 V máx
‘1’ lógico: 2.0 V mín, 5.5 V máx
Corriente de 
entrada ±1 μA máx
Tensión de salida ‘0’ lógico: 0.0 V mín, 0.4 V máx
‘1’ lógico: 2.4 V mín, 3.3 V máx
Corriente de salida ‘0’ lógico: 1 mA máx
‘1’ lógico: -0.8 mA máx
Capacidad de E / S 10 pF máx
Figura 3.10: Especificaciones del circuito de entradas y salidas digitales 
 
El conector del circuito al exterior tiene las siguientes características: 
 
• Conexión con la placa: Phyco 2120-50S 
• Cable de tipo cinta estándar (Ribbon) 
• Conexión al exterior: conector hembra de tipo cinta estándar 2x25 0.1” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.11: Conector del circuito de entradas y salidas digitales 
 
 
 
 3:17
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
A continuación se muestra el listado detallado de las líneas del circuito: 
 
DIO A0 1 2 DIO A1 
DIO A2 3 4 DIO A3 
DIO A4 5 6 DIO A5 
DIO A6 7 8 DIO A7 
DIO B0 9 10 DIO B1 
DIO B2 11 12 DIO B3 
DIO B4 13 14 DIO B5 
DIO B6 15 16 DIO B7 
DIO C0 17 18 DIO C1 
DIO C2 19 20 DIO C3 
DIO C4 21 22 DIO C5 
DIO C6 23 24 DIO C7 
DIO D0 25 26 DIO D1 
DIO D2 27 28 DIO D3 
DIO D4 29 30 DIO D5 
DIO D6 31 32 DIO D7 
DIO E0 / PWM 0 33 34 DIO E1 / PWM 1 
DIO E2 / PWM 2 35 36 DIO E3 / PWM 3 
DIO E4 / GATE 1 37 38 DIO E5 / TOUT 1 
DIO E6 / DIOLATCH 39 40 DIO E7 / GATE 0 
EXTTRIG 41 42 TOUT 0 
ACK 43 44 WDI 
WDO 45 46 FXA 
FXB 47 48 FXB 
+ 5V 49 50 Digital Ground 
 
Figura 3.12: Listado de las 50 líneas del circuito de E/S 
 
 3:18
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
 
A continuación se describen las 50 líneas: 
 
DIO A7-A0: E/S Digital: Puerto A (entrada / salida programable) 
 
DIO B7-B0: E/S Digital: Puerto B (entrada / salida programable) 
 
DIO C7-C0: E/S Digital: Puerto C (entrada / salida programable). 
 
DIO D7-D0: E/S Digital: Puerto D (entrada / salida programable). 
 
DIO E7-E0: E/S Digital: Puerto E (entrada / salida programable). 
 
PWM3 - PWM0: Salidas PWM. 4 canales independientes. 
 
GATE 1-0: Puertas de entrada para los Contadores / Temporizadores 1 y 0. 
 
TOUT1: Salida del Contador / Temporizador 1. 
 
DIOLATCH: Línea digital usada (junto con la señal ACK) para definir parámetros 
en transmisiones digitales automatizadas. 
 
EXT TRIG: Entrada de disparo externo. 
 
TOUT 0: Salida del Contador / Temporizador 0. 
 
+5 Vout: Conectado a una fuente de +5 V. 
 
Digital Ground: Tierra digital. 
 
WDO: Salida del ‘Watchdog Timer’. 
 
WDI: Entrada del ‘Watchdog Timer’. 
 
ACK: Línea digital usada (junto con la señal DIOLATCH) para definir parámetros 
en transmisiones digitales automatizadas. 
 
FXA, FXB: Líneas que deben dejarse desconectadas. 
 
En la siguiente página se detallan las conexiones realizadas para la correcta lectura 
de las señales procedentes del Throttle Jockey. 
 3:19
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DIO A0 1 2 DIO A1 
DIO A2 3 4 DIO A3 
DIO A4 5 6 DIO A5 
DIO A6 7 8 DIO A7 
DIO B0 9 10 DIO B1 
DIO B2 11 12 DIO B3 
DIO B4 13 14 DIO B5 
DIO B6 15 16 DIO B7 
DIO C0 17 18 DIO C1 
DIO C2 19 20 DIO C3 
DIO C4 21 22 DIO C5 
DIO C6 23 24 DIO C7 
DIO D0 25 26 DIO D1 
DIO D2 27 28 DIO D3 
DIO D4 29 30 DIO D5 
DIO D6 31 32 DIO D7 
DIO E0 / PWM 0 33 34 DIO E1 / PWM 1 
DIO E2 / PWM 2 35 36 DIO E3 / PWM 3 
DIO E4 / GATE 1 37 38 DIO E5 / TOUT 1 
DIO E6 / DIOLATCH 39 40 DIO E7 / GATE 0 
EXTTRIG 41 42 TOUT 0 
ACK 43 44 WDI 
WDO 45 46 FXA 
FXB 47 48 FXB 
+ 5V 49 50 Digital Ground 
 
Figura 3.13: Líneas empleadas para leer las señales procedentes del Throttle Jockey 
 
En azul se ha remarcado el pin al cual se conecta la señal de salida del Throttle 
Jockey y que contiene la información de velocidad de giro del eje. En rojo se han 
remarcado los dos pines que se han conectado entre sí para utilizar como reloj de 
referencia para contar pulsos una señal PWM generada por la Hércules. En gris oscuro 
se ha remarcado el pin al cual se ha conectado la tierra del Throttle Jockey. La tercera 
salida del Throttle Jockey es una tensión de alimentación utilizada para mover el servo 
cuando actúa como regulador.Como en esta aplicación no es necesaria, se ha dejado en 
circuito abierto. 
 
 3:20
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
3.3 Desarrollo de los programas informáticos 
 
El programa informático que calcula las medidas de r.p.m. ha sido desarrollado en C 
y se ejecuta en un sistema operativo Real Time Linux. Su nombre, en su versión 
definitiva que almacena los datos recogidos en memoria permanente, es opticdsk.exe, su 
código C es opticdsk.c, y el archivo de cabecera que acompaña al código es opticdsk.h. 
En pocas líneas, el programa inicia un menú en el que el usuario puede decidir si 
arranca el proceso de adquisición de medidas, borra archivos de datos generados en 
medidas anteriores, o sale de la aplicación. Además, pulsando una tecla el usuario 
arranca el proceso de medidas y pulsando otra lo detiene. Una vez detenida la batería 
de medidas se genera de forma automática un archivo con los datos más relevantes de 
las medidas (velocidad de giro medida y etiqueta de tiempo de la muestra) con formato 
datos_rpm_xx.txt. 
 
3.3.1 Algoritmo 
 
La estructura del programa desarrollado sigue las pautas que proporciona el 
fabricante de la Hércules para elaborar código que gestione el funcionamiento de la 
placa, y las que a su vez se implementan en programas desarrollados anteriormente para 
otros sensores implementados en el helicóptero. En líneas generales, consta de una fase 
de inicialización, una de definición de los parámetros de configuración, y una de toma 
de medidas que se ejecuta de forma recursiva, siguiendo las instrucciones del usuario 
mediante un menú, hasta que se sale del programa y se liberan los recursos utilizados 
mediante la pulsación de la tecla ‘P’. 
 
En la primera etapa del programa se inicializa el driver de la Hércules, librería de 
funciones que permiten gestionarla correctamente. Posteriormente se inicializa la placa, 
definiendo los parámetros que la identifican para que los dispositivos físicos de la 
misma puedan ser operados por los programas. En la siguiente etapa se definen los 
parámetros del reloj que gestiona la frecuencia de interrupciones para tomar medidas y 
los de las señal PWM que se utiliza como reloj auxiliar para medir el ancho de los 
pulsos. Posteriormente se genera el menú de usuario con las distintas opciones para 
tomar medidas y almacenar datos. Dentro de estas opciones se encuentra la función que 
arranca el proceso de medidas y ejecuta las funciones necesarias para realizar las 
mediciones y los cálculos. La última etapa del programa libera los recursos y sale del 
menú de usuario. En la siguiente página se muestra un diagrama de flujo con el 
funcionamiento del programa. 
 3:21
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
Main 
Ini Driver 
Libera 
Ini Placa 
Config 
PWM, 
Interrupcion
Para 
Medidas 
Fin 
`S´ 
SI 
NO 
Medidas
Interrupción Borrar Para 
`M´ `P´ 
`B´
Medida opt
Lectura 
Contador 
revs 
Lectura 
`1´ 
`0´ 
return 
SI 
NO
SI 
NO
Interrupción
Medida_
Pantalla 
`P´ NO
SI
Fin 
Fin Medidas 
 
 
 
 
Figura 3.14: Diagrama de flujo del funcionamiento del programa opticdsk 
 
 3:22
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
3.3.2 Programa informático 
 
El programa opticdsk.c requiere su código de cabecera opticdsk.h para ser 
compilado correctamente. En esta cabecera se definen todas las variables globales que 
intervienen en el programa y la estructura básica de cada función que se va a desarrollar. 
El código en lenguaje C se detalla en los anexos del documento y una descripción de 
sus funciones y comandos se expone a continuación. 
 
⇒ int main( ) 
 
Ésta es la función principal del programa, y como es habitual en un código en C, 
alberga toda la secuencia de instrucciones y demás funciones secundarias del 
programa. Se puede dividir en 5 secciones perfectamente definidas: 
 
1. Inicialización del Driver 
 
Se inicializan todas las funciones de gestión de la placa. 
 
2. Inicialización de la placa 
 
Se inicializan los dispositivos periféricos para que estén a disposición de las 
instrucciones de la CPU. 
 
3. Inicialización del sensor 
 
Se configuran los pulsos PWM que servirán de reloj auxiliar y la frecuencia de 
las interrupciones para realizar medidas. Para los pulsos PWM se elige una 
frecuencia de 100 KHz y para las interrupciones una de 6.25 Hz, obteniendo 
una interrupción cada 160 ms. 
 
4. Toma de medidas 
 
Se presenta un menú en pantalla que permite al usuario emprender varias 
acciones según la opción que elija: 
 
‘M’ – Comienzan las interrupciones cíclicas, con las medidas del sensor, su 
presentación en pantalla y su almacenado en disco hasta que el usuario las 
detenga. 
 
‘P’ – Detiene las interrupciones. 
 
‘B’ – Borra todos los ficheros que existan en memoria con datos de 
mediciones anteriores. 
 
5. Finalización 
 
Se liberan los recursos utilizados por el Driver de la placa y se finaliza el 
programa. Para pasar a esta sección se debe pulsar ‘S’ en el menú de toma de 
medidas. 
 
 3:23
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
⇒ void arranca( ) 
 
Esta función sirve de intermediaria para poder iniciar las interrupciones en el 
formato recomendado en los manuales de programación de la Hércules. Este 
formato incluye una comprobación de error con mensaje en pantalla si éste se 
produce. 
 
⇒ void para( ) 
 
Esta función detiene las interrupciones y libera los recursos empleados en las 
mismas. 
 
⇒ void interrupcion(void* params) 
 
Esta función arranca el proceso de interrupciones para realizar las medidas y genera 
los archivos donde posteriormente guarda los datos de dichas medidas. Se ejecuta 
en su totalidad cada 160 ms. 
 
⇒ medida_opt( ) 
 
Esta función se puede dividir en dos secciones bien definidas. En la primera se leen 
los pulsos del sensor y se cuentan los pulsos de reloj para obtener el ancho del pulso 
medido, según el procedimiento descrito en la sección “Cálculo de la velocidad de 
giro”. En la segunda se calculan las r.p.m. también según el procedimiento descrito 
en dicha sección. La función devuelve el valor de las r.p.m. para que la función 
interrupción lo muestre por pantalla y lo escriba a un fichero. 
 
3.3.3 Cálculo de la velocidad de giro 
 
Para obtener la velocidad de giro del eje sobre el que se mide, el programa utiliza un 
contador de pulsos, donde cada pulso representa la unidad fundamental de tiempo que el 
algoritmo puede medir. El pulso que genera el Throttle Jockey, señal que lee el circuito 
de adquisición, tiene como ancho el periodo de giro del eje. Con una resolución 
máxima limitada por el ancho del pulso fundamental del reloj, se puede medir el ancho 
del pulso procedente del Throttle Jockey, contando el número de pulsos reloj que hay 
desde su subida de “0” a “1” hasta su bajada de “1” a “0”. Es fundamental asegurar que 
el contador empieza a contar pulsos reloj en la subida de “0” a “1” para que la medida 
final sea correcta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3:24
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.15: Esquema de medición de pulsos para el cálculo de la velocidad de giro 
 
El pulso reloj se genera mediante el generador de señales PWM que incorpora la 
Hércules. Las características de estas señales son configurables en el código del 
programa que gestiona la captura de datos. En nuestra aplicación se utiliza un pulso con 
ciclo de carga del 50%, por lo que el pulso es simétrico y está medio periodo a 1 y 
medio a 0. 
 
No se han apreciado en las pruebas “cuentas en falso”, que podrían darse si las 
instrucciones del programa fuesen lo suficientemente rápidas como para que el circuito 
de adquisición leyera varias veces la entrada de la señal reloj antes de que se diese un 
nuevo pulso. Este fenómeno se podría arreglar incrementando el ciclo de carga de la 
señal reloj,ya que el contador de pulsos se incrementa cada vez que detecta un nivel 
bajo en la señal. Igualmente, si las instrucciones fueran demasiado lentas, el contador 
podría “obviar” varios pulsos consecutivos. Este fenómeno tampoco se ha apreciado en 
las pruebas, y se podría resolver disminuyendo la resolución del reloj, haciendo que sus 
pulsos sean más largos. Para conocer exactamente la dinámica del contador, estudio 
que va más allá de las necesidades de nuestro sistema de adquisición, sería necesario 
conocer con exactitud las instrucciones que desencadena cada línea de código en la 
CPU, así como sus tiempos de ejecución. 
 
Para la señal reloj se ha elegido una frecuencia de 100 KHz, lo que proporciona a 
cada pulso un periodo de 10 μs y una resolución del mismo valor al reloj. Este valor es 
más que suficiente si observamos que el tiempo de subida del transistor es de 20 μs con 
una resistencia de carga de 200 Ω y de 30 μs con una de 1KΩ. Además, el inversor 
lógico que incorpora el Throttle Jockey sitúa la señal a nivel bajo durante todo el tiempo 
de reflexión, tiempo durante el cual la tira reflectante pasa por delante del sensor. En 
páginas anteriores se ha calculado este tiempo y se han obtenido valores de varios 
cientos de μs. El reloj tiene resolución más que suficiente para que existan varios pulsos 
de tiempo entre dos pulsos de sensor distintos. Para un comportamiento detallado del 
transistor consultar sus especificaciones técnicas en los anexos. 
 
 
 
 3:25
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
Una vez se tiene el número de pulsos reloj que hay dentro de un pulso del sensor se 
conoce el ancho de dicho pulso y por tanto el periodo de rotación del eje cuya velocidad 
de giro se está midiendo. Con este dato la obtención de la velocidad de giro es 
inmediata, realizando las conversiones de unidades adecuadas: 
 
rpm
T
f 601000100
⋅⋅= 
 
Donde T es el valor de la variable contador que almacena el número de pulsos reloj 
contados. 
 
3.3.4 Librerías de funciones utilizadas 
 
Para obtener toda la funcionalidad deseada del programa se ha recurrido a varias 
librerías estándar ANSI de programación en C, además de una librería específica 
suministrada por Diamond Systems con funciones que gestionan los circuitos de la 
placa. Las librerías ANSI utilizadas son: 
 
• stdlib.h 
• stdio.h 
• math.h 
• time.h 
 
Estas librerías están incluidas en el compilador GCC de Linux. Las funciones de 
gestión de la placa están englobadas en el “driver” DSCUD 5.7. Se suele denominar 
driver a la librería que contiene funciones para gestionar un determinado dispositivo 
informático. En la jerga comercial se mencionan con frecuencia los drivers de la tarjeta 
de sonido, la tarjeta gráfica u otros dispositivos periféricos relevantes de un ordenador. 
En nuestro driver se encuentran funciones necesarias para iniciar y configurar el circuito 
de adquisición de datos, las señales PWM, el contador interno y otras utilidades que 
empleamos en nuestro programa informático. Esta librería o driver se denomina 
dscud.h. 
 
El procedimiento necesario para acceder a la librería dscud.h es el siguiente: 
 
• Se carga la librería en el sistema operativo ejecutando el archivo: 
 
“/usr/local/dscud5/load.sh” 
 
• Para compilar el programa será necesario incluir las librerías mencionadas 
con los siguientes añadidos al comando gcc: 
 
“-L/usr/local/dscud5 -L/opt/dscud5 -ldscud5 –pthread -lm 
 
-I/usr/local/dscud5 -I/opt/dscud5” 
 
 3:26
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
Tanto el programa elaborado para la adquisición de medidas con el sensor óptico 
como el programa elaborado para el potenciómetro deben seguir un proceso muy 
parecido de ejecución de funciones del driver de la placa. Esta secuencia de funciones 
con las variables utilizadas se detalla a continuación. 
 
3.3.5 Funciones de la placa 
 
Inicialización del driver: 
 
BYTE dscInit(WORD version) 
 
Inicialización de la placa: 
 
BYTE dscInitBoard(BYTE boardtype, DSCCB* dsccb, DSCB* board) 
 
donde ‘DSCB’ es un tipo ‘SWORD’ y ‘DSCCB’ una estructura con los siguientes 
parámetros (a configurar a la hora de inicializar la placa): 
 
BYTE boardtype 
DSCB boardnum 
WORD base_address 
BYTE int_level 
BOOL RMM_external_trigger 
BOOL RMM_external_trigger_c3 
WORD EMM_IOAddr[8] 
WORD EMM_Interrupt[8] 
BYTE clkfrq0 
BYTE clkfrq1 
BYTE clksel1 
WORD address_space 
 
Liberación de recursos: 
 
BYTE dscFree(void) 
 
Funciones de E/S digitales 
 
Configuración de los puertos digitales como entradas o como salidas: 
 
BYTE dscDIOSetConfig(DSCB board, BYTE* config_bytes) 
 
donde ‘config_bytes’ son 8 bits que indican cada uno si cada puerto funciona como 
entrada o como salida. El bit menos significativo se corresponde con el puerto A, el 
siguiente con el puerto B y así sucesivamente. Si el bit correspondiente a un puerto 
está a uno, dicha puerta funcionará como salida y si está a cero, funcionará como 
entrada. 
 
 
 
 3:27
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Poner a ‘1’ un bit determinado de un puerto determinado: 
 
BYTE dscDIOSetBit(DSCB board, BYTE port, BYTE bit) 
 
Poner a ‘0’ un bit determinado de un puerto determinado: 
 
BYTE dscDIOClearBit(DSCB board, BYTE port, BYTE bit) 
 
Leer el valor de un bit determinado de un puerto digital determinado: 
 
BYTE dscDIOInputBit(DSCB board, BYTE port, BYTE bit, BYTE* 
digital_value) 
 
Lanzamiento de una señal PWM: 
 
BYTE dscPWMFunction(DSCB board, DSCPWM * dscpwm) 
 
donde ‘DSCPWM’ es una estructura con los siguientes parámetros: 
 
DFLOAT output_freq 
FLOAT duty_cycle 
BYTE polarity 
BYTE pwm_circuit 
BOOL output_enab 
 
Interrupciones de usuario 
 
Inicialización de las interrupciones: 
 
BYTE dscUserInt(DSCB board, DSCUSERINT* dscuserint, 
DSCUserInterruptFunction func) 
 
donde ‘DSCUSERINT’ es una estructura con los siguientes parámetros: 
 
BYTE intsource 
FLOAT rate 
BYTE clksource 
BYTE counter 
DWORD int_type 
DSCUserInterruptFunction func 
 
y ‘DSCUserInterruptFunction’ se corresponde con el nombre de la función que se 
ejecutará en cada interrupción y que tendría la siguiente definición: 
 
void (*DSCUserInterruptFunction) (void* parameter) 
 
Detención de las interrupciones: 
 
BYTE dscCancelOp(DSCB board) 
 
 3:28
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Eliminación y liberación de las interrupciones: 
 
BYTE dscClearUserInterruptFunction(DSCB board) 
 
3.4 Montaje del sensor 
 
Una de las ventajas del sensor de efecto fotoeléctrico reflectante es la facilidad con 
la que se puede montar y desmontar de cualquier plataforma. Esto ha permitido 
probarlo durante el proceso de caracterización y en la posterior validación en diversos 
elementos rotativos, como un ventilador de PC convencional o un helicóptero de motor 
eléctrico, siendo ambos más seguros y fáciles de operar que el helicóptero Raptor de 
motor de combustión. El sensor requiere los siguientes elementos para su correcta 
fijación: 
 
• Cinta adhesiva autorreflectante. Se debe cortar un trozo de tamaño y forma 
idénticas a la cara sensible del sensor. 
• Plataforma de soporte y tornillo y tuerca de fijación a la plataforma. 
• Sistema de fijación de la plataforma al helicóptero. En nuestro caso se han 
utilizado dos tornillos estructurales del Raptor, con unas arandelas para 
garantizar el alineamiento, para impedir el movimiento de la plataforma y 
permitir a su vez un desmontaje fácil. 
• Guías para los cables. El sensor se ha situado en una posición cercana al 
plato de transmisión del colectivo, por lo que se han fijado los cables del 
primero a la estructura del helicóptero para evitar que interfieran en los 
movimientos del segundo. 
• Visera solar para el receptor del sensor. Disminuye la intensidad de las 
interferencias producidas por fuentes de luz distintas del fotodiodo. 
 
A continuación se muestra una imagencon los componentes del sensor. A la 
izquierda se muestra el regulador Throttle Jockey, interfaz entre el sensor y la caja de 
aviónica. En el centro se muestran el tornillo de fijación a la plataforma, dos 
plataformas de tamaños distintos, la visera y la cinta reflectante, todos los elementos 
proporcionados por la empresa Model Avionics. A la derecha se muestra el sensor 
óptico. 
 3:29
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Figura 3.16: Componentes del sensor óptico y Throttle Jockey 
 3:30
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
3.4.1 Ubicación 
 
El sensor debe montarse a una distancia de entre 3 y 5 mm entre la cara sensible y la 
superficie donde se encuentra la tira reflectante para obtener una recepción de 
intensidad máxima. Además, ambos planos, el de la cara sensible y el de la tira 
reflectante, deben ser lo más paralelos posibles. La tira debe cortarse justo al tamaño de 
la cara sensible del sensor y su orientación en su propio plano debe cuadrar lo mejor 
posible con la cara sensible del sensor. A continuación se muestra una foto del sensor 
montado en el Raptor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.17: Sensor óptico montado en el Raptor 
 
3.4.2 Cableado e interfaz eléctrica 
 
El mercado del aeromodelismo tiene una norma común de cableado e interfaces 
impuesta por los principales fabricantes, Futaba y JR. El cable básico consiste en un 
cable plano formado por tres hilos, de colores blanco, rojo y negro en cables fabricados 
por JR y naranja, rojo y negro en cables fabricados por Futaba. Además, el conector 
macho de los JR tiene una pequeña pestaña que impide introducirlo en el conector 
hembra de Futaba. El problema es sólo incomodidad porque esta pestaña se puede lijar 
fácilmente. Con estas pequeñas diferencias aparte, los cables son idénticos. El cable 
rojo transporta la alimentación de los servos y sistemas. El cable negro proporciona la 
tierra común. El cable blanco o naranja transmite la señal. En este proyecto se ha 
decidido adoptar la norma del mercado y se han utilizado cables y conectores JR y 
Futaba para realizar todas las conexiones. El cable que va unido directamente al 
circuito de adquisición de la Hércules se ha abierto en sus tres hilos y cada hilo se ha 
soldado en su pin correspondiente. A continuación se muestra una foto del cable y los 
conectores. 
 3:31
INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE FIN DE CARRERA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.18: Conector y cables utilizados en el diseño 
 3:32
	3 Sensor de velocidad de rotación del rotor principal
	3.1 Alternativas tecnológicas
	3.1.1 Sensor óptico fotoeléctrico reflectante
	3.1.2 El sensor fotoeléctrico OMRON EE-SF5
	3.1.3 El regulador Throttle Jockey
	3.1.4 Throttle Jockey vs. circuito de diseño propio
	3.2 Adquisición de las medidas
	3.2.1 Subsistema de adquisición de datos digitales
	3.3 Desarrollo de los programas informáticos 
	3.3.1 Algoritmo
	3.3.2 Programa informático
	3.3.3 Cálculo de la velocidad de giro
	3.3.4 Librerías de funciones utilizadas
	3.3.5 Funciones de la placa
	3.4 Montaje del sensor
	3.4.1 Ubicación
	3.4.2 Cableado e interfaz eléctrica