Procesamiento ADC y Cálculo RMS

Classes
struct	ADC_Sample
	Muestra del ADC con valor y canal asociado. More...
struct	RMS_FIFO
	Buffer circular para cálculo eficiente de RMS. More...

Functions
void IRAM_ATTR	on_adc_data_ready ()
	Rutina de servicio de interrupción para conversiones ADC completadas.
void	task_adquisicion (void *pvParameters)
	Tarea de adquisición de datos del ADC con manejo mejorado de multiplexor.
void	task_procesamiento (void *pvParameters)
	Tarea de procesamiento de muestras y cálculo RMS.
int	get_rms_history (int channel, float *output_buffer, int count)
	Obtiene el historial de valores RMS de un canal específico.

Variables
const float	CONVERSION_FACTORS [NUM_CHANNELS]
	Factores de conversión específicos para cada canal ADC.
QueueHandle_t	queue_adc_samples
	Cola de comunicación para muestras del ADC.
RMS_FIFO	fifos [NUM_CHANNELS]
	Array de FIFOs para cada canal de medición.
float	rms_history_ch0 [RMS_HISTORY_SIZE]
	Historial de valores RMS del canal 0.
float	rms_history_ch1 [RMS_HISTORY_SIZE]
	Historial de valores RMS del canal 1.
float	rms_history_ch2 [RMS_HISTORY_SIZE]
	Historial de valores RMS del canal 2.
volatile int	rms_history_head = 0
	Índice de escritura para los historiales RMS.
SemaphoreHandle_t	rms_history_mutex
	Mutex para protección de acceso concurrente a historiales RMS.
volatile bool	adc_data_ready = false
	Flag de datos listos del ADC (ISR).
volatile uint8_t	current_isr_channel = 0
	Canal actual en secuencia de muestreo (ISR).
const int	FIFO_SIZE = 320
	Tamaño del buffer circular FIFO para cálculo RMS.
const int	PROCESS_INTERVAL_MS = 1000
	Intervalo de procesamiento RMS en milisegundos.
const int	RMS_HISTORY_SIZE = 100
	Tamaño del historial de valores RMS para cada canal.
const float	CONVERSION_FACTOR = 0.618f
	Factor de conversión global (mantenido por compatibilidad).

Detailed Description

Resumen

Este módulo implementa la adquisición de señales analógicas mediante ADS1015 y el flujo completo de:

• Adquisición de muestras ADC en modo round-robin entre 3 canales usando interrupciones.
• Procesamiento en tiempo real con FIFOs circulares para cálculo eficiente de RMS.
• Almacenamiento de historial de valores RMS en buffers thread-safe.
• Aplicación de factores de conversión específicos por canal para calibración individual.

Estructura y componentes

• Datos y configuración
  • ADC_Sample: estructura de muestra con valor y canal asociado.
  • RMS_FIFO: buffer circular con sumas acumulativas para cálculo incremental.
  • CONVERSION_FACTORS[]: factores de calibración específicos por canal.
• Adquisición y procesamiento
  • queue_adc_samples: cola FreeRTOS para transferencia adquisición → procesamiento.
  • fifos[NUM_CHANNELS]: array de FIFOs circulares para cada canal.
  • rms_history_ch0/ch1/ch2: historiales independientes de valores RMS.
• Tareas principales
  • task_adquisicion: gestión de conversiones ADC con multiplexor mejorado.
  • task_procesamiento: cálculo RMS incremental y actualización de historial.
  • ISR: on_adc_data_ready() para notificación de conversión completada.

API Principal

• Configuración: FIFO_SIZE, PROCESS_INTERVAL_MS, RMS_HISTORY_SIZE, CONVERSION_FACTORS[].
• Estructuras: ADC_Sample, RMS_FIFO.
• Datos: queue_adc_samples, fifos[], rms_history_ch0/ch1/ch2, rms_history_mutex.
• Funciones: task_adquisicion(), task_procesamiento(), get_rms_history(), on_adc_data_ready().

Uso

Resumen del flujo:

1) Inicialización ADC

• Configuración del ADS1015: ganancia TWOTHIRDS (±6.144V), velocidad 3300 SPS.
• Configuración de interrupción en pin ALERT para conversiones completadas.
• Creación de cola queue_adc_samples con capacidad FIFO_SIZE.
• Inicialización de mutex rms_history_mutex para protección de historiales.

2) Adquisición de muestras

• task_adquisicion ejecuta en núcleo 0 con prioridad 5.
• Secuencia round-robin entre canales 0, 1, 2 usando multiplexor explícito.
• Mapeo directo: canal → configuración MUX (SINGLE_0/SINGLE_1/SINGLE_2).
• ISR on_adc_data_ready() notifica conversión completada vía flag adc_data_ready.
• Muestras encoladas en queue_adc_samples con estructura ADC_Sample.

3) Procesamiento RMS

• task_procesamiento consume muestras de la cola en núcleo 0 con prioridad 3.
• Actualización de FIFOs circulares con algoritmo incremental:
  • Mantenimiento de sumas: sum_x (∑x) y sum_x2 (∑x²).
  • Buffer circular con reemplazo automático al alcanzar FIFO_SIZE=320.
  • Cálculo de media: μ = sum_x / count.
  • Cálculo de varianza: σ² = (sum_x2 / count) - μ².
  • Valor RMS: √σ² con protección contra varianza negativa.

4) Gestión de historial

• Cálculo RMS cada PROCESS_INTERVAL_MS=1000ms.
• Almacenamiento en buffers circulares independientes por canal.
• Protección thread-safe con rms_history_mutex.
• Función get_rms_history() para extracción de últimos N valores.

5) Calibración por canal

• Array CONVERSION_FACTORS[] con factores específicos:
  • Canal 0: 0.653f
  • Canal 1: 0.679f
    
  • Canal 2: 1.133f
• Aplicación en dataUpdateTask para compensar diferencias de sensores.
• Permite ajuste individual de rangos de medición y acondicionamiento.

6) Algoritmo RMS incremental

• Eficiencia O(1) para inserción de nuevas muestras.
• Sin necesidad de recorrer todo el buffer para cálculo.
• Mantenimiento automático de estadísticas acumulativas.
• Gestión robusta de desbordamiento en buffer circular.

Advertencias y mejores prácticas:

• Verificar estabilidad de alimentación del ADS1015 para conversiones precisas.
• Configurar pullups externos en líneas I2C si hay problemas de comunicación.
• Validar conexión del pin ALERT antes de habilitar interrupciones.
• Proteger acceso a historiales RMS con timeout apropiado en mutex.
• Calibrar CONVERSION_FACTORS[] según características reales de sensores.
• Monitorear latencia de procesamiento para evitar saturación de cola.
• Verificar que FIFO_SIZE sea suficiente para ventana de análisis requerida.

Function Documentation

get_rms_history()

int get_rms_history	(	int	channel,
		float *	output_buffer,
		int	count )

Obtiene el historial de valores RMS de un canal específico.

Extrae los últimos N valores RMS de forma thread-safe usando mutex. Los valores se devuelven en orden cronológico (más antiguo primero).

Parameters

channel	Número de canal (0, 1 o 2).
output_buffer	Buffer de salida para los valores RMS.
count	Número de valores solicitados.

Returns

Número de valores efectivamente copiados.

on_adc_data_ready()

void IRAM_ATTR on_adc_data_ready

(

)

Rutina de servicio de interrupción para conversiones ADC completadas.

Se ejecuta cuando el ADS1015 completa una conversión y activa la línea ALERT.

task_adquisicion()

void task_adquisicion

(

void *

pvParameters

)

Tarea de adquisición de datos del ADC con manejo mejorado de multiplexor.

Gestiona la secuencia de conversiones ADC en modo round-robin entre canales. Implementa selección explícita de configuración de multiplexor para cada canal. Encola las muestras en queue_adc_samples para procesamiento posterior.

Parameters

pvParameters

Parámetros de la tarea (no utilizados).

Selección explícita de configuración de multiplexor por canal.

Mapeo directo de número de canal a constante de configuración del multiplexor ADS1015 para evitar errores de direccionamiento.

task_procesamiento()

void task_procesamiento

(

void *

pvParameters

)

Tarea de procesamiento de muestras y cálculo RMS.

Consume muestras de queue_adc_samples, las almacena en FIFOs circulares y calcula valores RMS periódicamente usando algoritmos incrementales eficientes. Actualiza el historial RMS de forma thread-safe.

Parameters

pvParameters

Parámetros de la tarea (no utilizados).

Variable Documentation

CONVERSION_FACTOR

const float CONVERSION_FACTOR = 0.618f

Factor de conversión global (mantenido por compatibilidad).

Deprecated

Usar CONVERSION_FACTORS array para factores específicos por canal.

CONVERSION_FACTORS

const float CONVERSION_FACTORS[NUM_CHANNELS]

Initial value:

= {
    0.653f,  
    0.679f,  
    1.133f   
}

Factores de conversión específicos para cada canal ADC.

Permite calibración individual por canal para compensar diferencias en sensores, acondicionamiento de señal o rangos de medición específicos.