Ingeniería Electrónica

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Caracterización automática de terrenos para agricultura con redes neuronales convolucionales
(Universidad Industrial de Santander, 2023-03-10) Suarez Flechas, Julio Roberto; Naranjo Infante, Diego Andres; Pertuz Arroyo, Said David; Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Barrero Pérez, Jaime Guillermo
Este documento presenta el diseño de un sistema para caracterizar automáticamente terrenos para agricultura mediante redes neuronales convolucionales. El proyecto propone brindar estimaciones de superficie en cuanto a tierras de cultivo, permitiendo clasificar, caracterizar y describir terrenos georreferenciados. Por medio de aprendizaje automático se realiza una clasificación supervisada de imágenes satelitales, con la arquitectura de una red neuronal convolucional, la cual se entrena usando imágenes ya caracterizadas por el departamento de agricultura de Estados Unidos (USDA). En cada capítulo se presenta uno de los procesos que se llevaron a cabo en el desarrollo del algoritmo para caracterizar automáticamente terrenos para agricultura con redes neuronales convolucionales. El primer proceso consiste en la creación de la base de datos con la cual se realizará el entrenamiento de la red neuronal. El segundo corresponde al diseño e implementación de la arquitectura de la red neuronal convolucional para identificar como mínimo cuatro tipos de terrenos, a partir de imágenes satelitales. Finalmente, se propone utilizar la red previamente entrenada, para evaluar su funcionamiento con imágenes satelitales de terrenos Colombianos.
DESIGN OF A BANDGAP VOLTAGE REFERENCE IN A 28 NM CMOS PROCESS
(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-10) Acevedo Velasquez, Jeison Herney; Caballero Barajas, Eduardo; Rueda Gómez, Sergio Andrés; Ardila Ochoa, Javier Ferney; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Dovale Vargas, Luisa Fernanda
En el grupo de investigación Onchip se han fabricado en los últimos cinco años tres generaciones de SoC en un proceso CMOS de 180 nm. La nueva familia de microcontroladores que está desarrollando OnChip se implementará en un nodo de proceso CMOS más avanzado, concretamente en 28 nm. Esto implica nuevos desafíos en el diseño de bloques analógicos y digitales. La integración de bloques como LDO, ADC/DAC, comparadores, DC/DC y muchos más bloques requiere una referencia de voltaje estable y constante. Si la referencia de voltaje varía con el proceso, temperatura, carga, etc, el desempeño de todos los bloques dependientes, y consecuentemente el desempeño de todo el sistema, se verá comprometido. Por lo tanto, el diseño de una fuente de referencia de voltaje bandgap (BGR) es esencial para cualquier SoC, ya que el principio de funcionamiento detrás de este bloque le permite entregar un voltaje constante, cercano a la energía de banda prohibida del silicio, que es en gran medida independiente de las variaciones de PVT cuando adecuadamente diseñado. Esta es la razón por la que este bloque se diseñará en el microcontrolador, que será desarrollado por Onchip.
DESING OF BASE-BAND CIRCUITS FOR A PWM CONTROLLER IN A DC-DC BUCK CONVERTER IN CMOS TECHNOLOGY
(Universidad Industrial de Santander, 2024-11-13) Amaya Amaya, Over José; Muñoz López, Victor Hugo; Ardila Ochoa, Javier Ferney; Villarreal Solano, Ariel Yezid; Barrero Pérez, Jaime Guillermo
Este trabajo aborda el diseño de un circuito PWM analógico para un convertidor Buck DC-DC, realizado por el grupo de investigación OnChip. El grupo está trabajando en un nuevo microcontrolador en tecnología CMOS de 28 nm, donde la eficiencia energética es esencial para el rendimiento del sistema en chip (SoC). Se realizó la implementación de un circuito PWM a 2 MHz con una topología del generador de rampa diferente a la convencional, esta implementación se basa en una idea del estado del arte, pero se eligió una solución más simple. Esta topología mejora la precisión tanto en frecuencia como en amplitud, manteniendo un bajo consumo de potencia. Además, se introduce una metodología basada en un presupuesto de error para la frecuencia de conmutación y técnicas de trimming, lo que garantiza una alta robustez frente a variaciones PVT y MC. Los resultados de simulación muestran una variación de menos de ±5.2% sobre la frecuencia en PVT y un consumo de corriente de 114 μA, con un rango de [3.8%-98%] ciclo de trabajo. Las pruebas estadísticas revelan una variación 3σ de menos de ±4.5% en la frecuencia de conmutación. El impacto de esta investigación podría ser significativo para futuros proyectos del grupo OnChip, mejorando la eficiencia y optimizando la gestión de potencia en sistemas integrados.
Diseño De Un Modelo Funcional-Portátil Para La Adquisición Y Almacenamiento De Señales ECG Con Conexión Inalámbrica Bluetooth
(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-08) Afanador Díaz, Yerlin Dayana; Moreno Cruz, Liceth Natalia; Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Castillo Bohorquez, Jeison Arley; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Niño Niño, Carlos Andrés
Las enfermedades cardiovasculares representan una creciente amenaza para la salud, con un significativo impacto en el sistema de salud debido a los elevados costos de tratamiento. Este artículo aborda la necesidad de tecnologías accesibles para el monitoreo de señales ECG, que son importantes para el diagnóstico y seguimiento de estas enfermedades. Se presenta la propuesta de un dispositivo de bajo costo que captura, transmite y almacena señales ECG a través de Bluetooth LE, con el propósito de mejorar la accesibilidad a la atención médica. El artículo detalla la investigación y desarrollo de este dispositivo, desde la selección de hardware hasta la validación clínica, destacando su contribución a la accesibilidad de la atención médica y su papel en la creación de una tecnología de fabricación nacional. Este proyecto no solo busca mejorar la detección temprana de enfermedades cardíacas, sino también promover la innovación en el campo de la salud y la economía en Colombia.
Diseño de un sistema IoT para la monitorización de una microrred eléctrica experimental.
(Universidad Industrial de Santander, 2023-03-06) Díaz Sánchez, Oscar; López González, Bryan Jesús; Rey López, Juan Manuel; Mantilla Villalobos, María Alejandra; Gómez Zuluaga, Jonathan Stiven; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Ordoñez Plata, Gabriel
En el Laboratorio de Integración Energética (LIE) ubicado en el edificio de Investigaciones del Parque Tecnológico de Guatiguará se encuentra en desarrollo la construcción de una microrred eléctrica experimental, para la cual se solicita diseñar un sistema IoT que permita supervisar el comportamiento de variables eléctricas claves para los experimentos que se realizarán. Para diseñar este sistema, se llevará a cabo la selección adecuada de instrumentos de sensado y control, para elaborar una arquitectura de sistema IoT con el fin de comunicar algunos de los dispositivos que operan en la microrred, teniendo en cuenta las limitaciones de la misma y los requerimientos de investigación identificados en el LIE. Uno de ellos es la compatibilidad del sistema diseñado con el software Ignition 8.1 para la integración con distintos sistemas de la microrred
Diseño y Validación de un Sistema de Control de Fuerza en la Reproducción de Movimientos Básicos de la Mano
(Universidad Industrial de Santander, 2022-09-09) López Escobar, Juán Sebastián; Rangel Alvarado, Ingrid Yurany; Avellaneda Ojeda, Jennifer Alejandra; Villamizar Mejía, Rodolfo; Castro Jaluba, William Razvan; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Quintero Muñoz, Jorge Eduardo
En este documento se plantea el diseño y validación de un sistema de control de fuerza, para un dispositivo que reproduzca los movimientos básicos de la mano, correspondientes a los agarres de fuerza. Se propone este proyecto con el fin de mejorar el desempeño dinámico de los dispositivos, perfeccionando su funcionalidad y naturalidad en la reproducción de los movimientos de la mano. Como punto de partida, se toma un exoesqueleto previamente construido en la UIS capaz de reproducirlos. Posteriormente, se realiza la selección de los elementos que constituyen el sistema de control, como lo son controlador implementado en la placa de adquisición de datos, actuador para la transmisión del movimiento y sensor para la medición de la fuerza. Luego se caracteriza el sistema de Tensión-fuerza, a partir de los datos obtenidos del sensor de fuerza ubicado en el dedo medio. Para obtener la dinámica del sistema, se emplea el método de caja negra, con la finalidad de obtener un modelo para la sintonización del controlador. Por último, se evalúa el desempeño dinámico del sistema de control de fuerza, implementándolo en el exoesqueleto. En este se aplica una serie de fuerzas para cada movimiento de la mano y se analiza la respuesta temporal obtenida para medir el error de seguimiento de la fuerza que presenta el sistema.
Diseño, implementación y validación de la aviónica para el cohete sonda de combustible sólido Orion UIS participante en el Latin American Space Challenge 2022
(Universidad Industrial de Santander, 2022-11-10) Vivas Camargo, Juán Martín; Hernández Rincón, Santiago; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Salgado Meza, Pedro Andrés; Angulo Julio, Carlos Andrés; Barrero Pérez, Jaime Guillermo
El presente trabajo de investigación se fundamenta a partir de la necesidad por parte del Semillero de Cohetería UIS Aeroespacial de implementar un prototipo de tarjeta electrónica funcional en el cohete sonda de la misión Orion UIS, el cual participó en el concurso de cohetería LASC 2022 llevado a cabo en Brasil. Existen varias alternativas de diseño que permiten desarrollar la tarjeta electrónica de un cohete, sin embargo, para lograr un correcto funcionamiento, ésta se debe ajustar a los requerimientos técnicos delimitados por las diferentes condiciones de vuelo y funcionamiento. Por tal motivo, se plantea este proyecto, el cual busca desarrollar la aviónica para un cohete sonda de combustible sólido a partir del diseño, la implementación y la validación de los subsistemas que la componen. Esta tarjeta electrónica formó parte de la misión Orion UIS y en conjunto con los demás sistemas del cohete, tenían como objetivo alcanzar una altura máxima de 3 Km, llevando como carga útil un satélite tipo CanSat. El prototipo desarrollado almacenó información de variables físicas para posteriormente tomar diferentes decisiones de control y mostrarlas a través de una interfaz gráfica en una estación ubicada en tierra. En consecuencia, el diseño se desarrolló con base en 4 subsistemas para los cuales se realizó la respectiva selección de los dispositivos electrónicos que garantizaran el cumplimiento de los requerimientos técnicos establecidos. Finalmente, se realizó la integración de cada etapa de los diferentes subsistemas que componen la aviónica, caracterizando el funcionamiento a través de simulaciones y pruebas de laboratorio, para posteriormente, llevar a cabo la validación final de la aviónica implementada mediante la ejecución de la misión y pruebas de vuelo con un dron.
Enfoque de aprendizaje de distancias para la detección de cambios de micrófono en archivos de audio
(Universidad Industrial de Santander, 2023-08-10) Calderón Ardila, Elkin Fabian; Sepúlveda Sepúlveda, Franklin Alexander; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Pertuz Arroyo, Said David
En el presente trabajo se lleva a cabo la implementación y evaluación de dos algoritmos para la detección de cambios o inconsistencias de micrófono en grabaciones de audio para aplicaciones forenses mediante un enfoque basado en el aprendizaje de distancias. El primer algoritmo consiste en el cálculo de la Distancia de Mahalanobis mediante los métodos LMNN (Large Margin Nearest Neighbor), NCA (Neighbourhood Components Analysis) e ITML (Information Theoretic Metric Learning) a partir de vectores de información espectral extraídos de ventanas de audio. Estos vectores se obtienen del cálculo de los MFCC (Coeﬁcientes Cepstrales en las Frecuencias de Mel), omitiendo el último paso que consiste en la aplicación de la DCT (Transformada de Coseno Discreta) y, utilizando un banco de 128 filtros en la escala mel con límites entre 0 y 8000 Hz. Por otro lado, el segundo algoritmo consiste en hallar la Divergencia de Jensen-Shannon mayor entre los conjuntos de filtros número 1 a 6 y, 99 a 128 del banco de filtros en escala mel mencionado. Para la evaluación de estos algoritmos se utiliza la base de datos AVSpoof, creada por Ergünay et al. El análisis de los resultados tanto individuales como en conjunto obtenidos tras la implementación de estos dos algoritmos se realiza mediante tres diferentes tipos de clasificadores: SVM (máquinas de vectores de soporte), ANN (redes neuronales artificiales) y k-NN (k vecinos más cercanos).
Implementación de un sensor de concentración de CO2 atmosférico basado en espectroscopia láser de diodo sintonizable embarcado como carga útil en el globo sonda estratosférico E3Tratos
(Universidad Industrial de Santander, 2023-05-22) Garcia Robles, Harley Fernando; Tautiva Salazar, Kevin Andrés; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Garcia Arenas, Hans Yecid; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Aguilera Bermúdez, Ernesto
Este trabajo de investigación tiene como base el estudio del cambio climático a nivel mundial, pues una de las causas de este es el aumento de las concentraciones de CO2. Para realizar esto existen varias alternativas en el estado del arte, siendo una de ellas las plataformas de vuelo no tripuladas tales como los globos sonda. Por tal motivo, surge el planteamiento de este proyecto que busca desarrollar el sistema de sensado de CO2 atmosférico a partir de la simulación e implementación del instrumento de medición, con base en la técnica de Espectroscopia de Diodo Láser Sintonizable (TDLS). Este sistema se plantea a futuro embarcarlo como carga útil en la misión E3Tratos y en conjunto con los demás subsistemas, busca adquirir datos durante el vuelo a través de las distintas capas de la atmósfera para establecer un índice de la calidad del aire en Bucaramanga y construir un perfil atmosférico de la zona. Para cumplir con esto se realizan simulaciones del sistema, se implementan por separado los módulos electrónicos de diferentes etapas, se verifica su correcto funcionamiento y posteriormente se unen en un sistema completo, el cual se caracteriza en laboratorio, obteniendo características del mismo en comparación con un sensor de CO2 comercial.
OPTIMIZATION OF A CRYSTAL OSCILLATOR DESIGN FOR A 28 NM SOC IMPLEMENTING START-UP TIME REDUCTION
(Universidad Industrial de Santander, 2024-05-22) Oliveros Sepúlveda, Sergio Sebastián; Tarazona Moreno, Andrés Leonardo; Ardila Ochoa, Javier Ferney; Rueda Guerrero, Luis Eduardo; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Mier Martínez, Javier Enrique
Este trabajo presenta una investigación sobre el diseño y optimización de un oscilador de cristal en tecnología CMOS de 28 nm para su implementación en un System-on-Chip (SoC), que está en desarrollo por el grupo de investigación OnChip. Se aborda específicamente el desafío de reducir el tiempo de arranque de este tipo de osciladores, característica crucial en aplicaciones de baja potencia. Debido al alto factor de calidad del cristal utilizado en el oscilador, el tiempo de arranque del circuito suele ser considerablemente largo, típicamente en órdenes de cientos de milisegundos. Este tiempo de arranque prolongado se ve influenciado por la resistencia negativa RN y el ruido interno asociado del oscilador. Para abordar este desafío, el proyecto se enfoca en la implementación exitosa de la técnica de ajuste dinámico de carga (DAL). La técnica DAL aprovecha el reloj generado por el oscilador para lograr un control automático de la capacitancia de carga del circuito. Inicialmente, se establece una capacitancia de valor bajo para aumentar la resistencia RN y, como consecuencia, reducir significativamente el tiempo de arranque del oscilador y la energía requerida para el inicio. Una vez la amplitud de la señal generada es considerada suficiente, la capacitancia se ajusta gradualmente y se establece en un valor mayor, determinado para funcionar indefinidamente. Esta estrategia no solo optimiza el rendimiento del sistema, sino que también promueve una mayor eficiencia energética, lo que tiene importantes implicaciones para el diseño y la implementación de sistemas electrónicos de baja potencia. Los resultados obtenidos incluyen un aumento del 210% en la velocidad del sistema y una reducción del consumo de energía de inicio de un 62.45%, los cuales tienen el potencial de contribuir significativamente en el desarrollo de sistemas electrónicos de baja potencia.
Solución IoT basada en Node-RED para la visualización, almacenamiento y procesamiento en la nube para la estación meteorológica CASIRI
(Universidad Industrial de Santander, 2024-02-21) Silva Sepulveda, Carlos Eduardo; Gonzalez Mendoza, Brayan Hernando; Ortega Boada, Homero; Barrero Pérez, Jaime Guillermo; Rubio Toloza, Andrés Felipe
La alianza de los grupos de investigación CEMOS, CPS, y RadioGIS ha desarrollado una solución IIoT llamada CASIRI, diseñada para la gestión de mediciones ambientales y el monitoreo de señales de radio. Hasta el momento se han tenido varios enfoques, desde el uso del protocolo MQTT, bases de datos MySQL, visualización basada en HTML, hasta el uso de técnicas más propias del IIoT apoyadas en el software de Ignition. El presente proyecto adopta un enfoque distinto en la búsqueda de la eficiencia para las necesidades concretas del grupo que trabaja en radioastronomía, para ello se apoya al máximo en lograr aprovechar la mejor combinación entre las oportunidades que brinda el uso de un servidor en una plataforma como AWS y lo mejor de las tecnologías serverless, como es el caso de Google Workspace. Como resultado se implementa una solución que usa recursos de Google como base de datos Workspace y cómputo en la nube para el procesamiento de esos datos, pero usa Node-RED a nivel de un servidor de muy bajo costo sobre AWS. La implementación contiene aspectos originales y futuristas, al menos para usuarios de radioastronomía y similares ya que permite satisfacer la necesidad de medir siempre en presencia o en ausencia de conectividad, es decir en lugares remotos donde no hay internet. Logra también la mejor relación de costos ya que los procesos de medición no se detienen aun cuando el servidor en AWS está apagado, los datos siguen siendo registrados en los recursos basados en Google WorkSpace.. Dicho en otras palabras, la solución basada en Node-RED que es software de uso libre sobre AWS se limita a la visualización en línea de datos, sin que el usuario requiera instalar software especializado en su computador o terminal móvil. Esa es al menos la visión identificada gracias a los resultados de este proyecto.

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