Fase 5: Diseño Industrial y Proyecto Final

📖 Teoría a Estudiar

Look-Up Tables (LUT): Velocidad `O(1)` en ROM

Una LUT es un arreglo precalculado estáticamente (generalmente con un script de Python en tu PC) y guardado en la memoria inmutable del microcontrolador. En lugar de usar la unidad lógico-aritmética (ALU) para calcular y = e^(x*k), tu procesador simplemente hace una búsqueda en un índice: y = arreglo[x]. Sustituyes carga computacional intensiva por carga de almacenamiento.

En el C Estándar, declarar un arreglo grande como float API54[100]; asimilará inmediatamente 400 bytes de tu valiosa memoria RAM. Como vimos en los capítulos de MISRA-C y LwIP, la RAM es nuestro recurso más escaso.

El secreto industrial es declarar el arreglo como static const float32_t. La palabra clave const le dice al compilador GCC (Linker) que este arreglo jamás cambiará. En lugar de ubicarlo en la sección .data o .bss (SRAM), lo inyecta permanentemente en la sección .rodata (Read-Only Data) de la memoria Flash del STM32. Consultarlo es instántaneo y el costo en RAM es de cero absolutos.

Mapeo de Índices en Enteros

Para buscar en un arreglo (arreglo[i]), la variable i DEBE ser un entero. Pero la temperatura es decimal (ej. 25.4 °C). El truco metrológico consiste en multiplicar la lectura del sensor de temperatura (PT100) por 10 y usar enteros (`254`), aplicando un offset para temperaturas negativas.

⚙️ Ejercicios Prácticos

Circuito Termométrico: Para lograr una resolución de 0.1°C de forma industrial, no puedes usar un sensor barato como el LM35 o un DHT11. El estándar es sumergir una sonda RTD PT100 (Clase A) directamente en el flujo de Gas LP, conectada a un conversor ADC especializado como el MAX31865 vía SPI, el cual entregará lecturas extremadamente precisas y blindadas contra ruido.

Ejercicio 1: Implementaremos la Tabla API 54 para una mezcla de Gas LP de densidad estándar. Aplicaremos Bounds Checking (Regla 18.1 de MISRA-C) para garantizar que si el sensor de temperatura falla y arroja 999°C, nuestra máquina no lea un segmento prohibido de la memoria y colapse.


/**
 * @file api_table54.c
 * @brief Algoritmo de Compensación Termodinámica (API Table 54) - MISRA-C:2012
 */

#include <stdint.h>

typedef float float32_t;

// =========================================================================
// DEFINICIONES DE LA TABLA (LUT)
// =========================================================================
// Rango de operación comercial: -10.0 °C a +50.0 °C
// Resolución de la tabla: 0.1 °C
// Total de entradas: 601 valores (Desde -100 hasta 500 en décimas)
#define TEMPERATURA_MIN_DECIMAS    (-100)  // -10.0 °C
#define TEMPERATURA_MAX_DECIMAS    (500)   //  50.0 °C
#define TOTAL_ENTRADAS_LUT         (601U)

// El calificador 'const' forza este arreglo a vivir en la memoria FLASH (.rodata)
// Ahorrando RAM. El VCF a 20.0 °C es siempre 1.0000 (Temperatura Base México).
static const float32_t API54_LUT_DENSIDAD_0_540[TOTAL_ENTRADAS_LUT] = {
    1.0825F, // Índice 0   (-10.0 °C)
    1.0822F, // Índice 1   (-9.9 °C)
    // ... (Cientos de valores calculados matemáticamente en PC u obtenidos de la Norma) ...
    1.0000F, // Índice 300 (20.0 °C) - Punto de Equilibrio
    0.9997F, // Índice 301 (20.1 °C)
    // ...
    0.9680F, // Índice 405 (30.5 °C) - El Gas está dilatado
    // ...
    0.9100F  // Índice 600 (50.0 °C) - Gas extremadamente caliente y dilatado
};


// =========================================================================
// FUNCIÓN METROLÓGICA (CERTIFICADA MISRA-C)
// =========================================================================
/**
 * @brief Calcula el volumen compensado a Temperatura Base (20°C)
 * @param litros_brutos: Volumen crudo leído de la turbina
 * @param temp_decimas: Temperatura del gas en décimas de grado (ej. 305 = 30.5°C)
 * @retval Volumen facturable compensado
 */
float32_t API54_Compensar_Volumen(float32_t litros_brutos, int16_t temp_decimas) {
    
    float32_t vcf = 1.0F; // Fallback: Si algo falla, el factor de corrección es 1 (sin corrección)
    
    // 1. REGLA MISRA 18.1: Comprobación Estricta de Límites (Bounds Checking)
    // Evitamos lecturas OOB (Out-of-Bounds) que provocarían un HardFault.
    if ((temp_decimas >= TEMPERATURA_MIN_DECIMAS) && (temp_decimas <= TEMPERATURA_MAX_DECIMAS)) {
        
        // 2. Mapeo de Rango Físico a Índice de Arreglo (0-index)
        // Ejemplo: Si entra -100 (-10.0°C), le sumamos 100 y leemos el índice 0.
        // Si entra 305 (30.5°C), le sumamos 100 y leemos el índice 405.
        uint16_t indice_lut = (uint16_t)(temp_decimas - TEMPERATURA_MIN_DECIMAS);
        
        // 3. Extracción de Tiempo Constante O(1) desde la Memoria ROM
        vcf = API54_LUT_DENSIDAD_0_540[indice_lut];
        
    } else {
        // Alerta Crítica: El sensor PT100 está desconectado o el gas está congelado.
        // Aquí dispararíamos un flag de error de hardware en el sistema:
        // Disparar_Alarma(ERROR_PT100_FUERA_DE_RANGO);
    }
    
    // 4. Retornamos la multiplicación final
    return (litros_brutos * vcf);
}

🚀 Avance del Proyecto Tesis: Despachador de Gas LP

Objetivo del día: Cumplimiento Normativo (NOM) y Precisión Volumétrica por Software.

En México, la Dirección General de Normas (DGN) y la PROFECO (Nom-010-SCFI-1994 y posteriores) exigen que todos los instrumentos de medición de hidrocarburos operen bajo un esquema de corrección de temperatura estricto, tomando los 20°C como volumen facturable base. En países europeos es a 15°C. Si vendes gas a 35°C (muy común en el norte y costa del país), el líquido está dilatado. Sin la corrección termodinámica, el usuario estaría pagando un 4% de volumen "fantasma" que es puro espacio molecular dilatado. Y viceversa: en invierno, la estación regalaría gas a los clientes.

Al programar la **Compensación por Look-Up Table (API 54)** inyectada en la memoria Flash, mataste tres pájaros de un tiro: Primero, cumples con la ley para que tu Despachador sea legalmente vendible y certificable. Segundo, mantienes tu código **100% MISRA-C Compliant** al aislar un arreglo constante validado por Bounds-Checking. Tercero, evitas que tu procesador Cortex-M4 sufra una sobrecarga por cálculos exponenciales/logarítmicos en tiempo real, resolviendo la termodinámica de fluidos con una extracción de memoria de 1 ciclo de reloj (`O(1)`). Esto es lo que diferencia a una tesis de investigación de un producto maduro, industrial y altamente rentable.

📝 Resumen del Día

Los hidrocarburos sufren expansión térmica. Cobrar litros "brutos" sin conocer la temperatura resulta en pérdidas operativas o en robos legales al cliente (violación de normativas de metrología legal).
Las fórmulas para calcular el **VCF (Volume Correction Factor)** de la Tabla API 54 requieren matemática flotante compleja, la cual es sumamente ineficiente de ejecutar cientos de veces por segundo en un microcontrolador embebido de 84 MHz.
La solución industrial es la **Tabla de Búsqueda (LUT - Look-Up Table)**: se precalculan los valores estáticamente en una computadora y se mapean a un índice entero en un arreglo en C.
Al declarar el arreglo como static const, obligamos al compilador y al *Linker* a almacenar los datos permanentemente en la memoria **Flash ROM (Sección .rodata)**, salvando la preciada memoria RAM para el RTOS y evitando la fatiga del procesador.
Según las **Normas MISRA-C:2012 (Regla 18.1)**, el acceso a cualquier arreglo mediante una variable que proviene del mundo exterior (como la lectura del sensor PT100) DEBE validarse previamente con un comprobador de límites (Bounds Checking) para asegurar que un fallo físico del cable no desborde la lectura de memoria de la CPU.