Rediseño del reloj y fuente de la capsula del tiempo de Uniandes 50 años

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(1)REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. GERMAN ANTONIO REINA GRANADOS. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA SANTA FE DE BOGOTÁ D.C. 2003.

(2) REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. GERMAN ANTONIO REINA GRANADOS. Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Electrónico. Director FREDY SEGURA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA SANTA FE DE BOGOTÁ D.C. 2003.

(3) AGRADECIMIENTOS. A mi familia y especialmente a mis padres Isabel Granados y Gerardo Reina por el apoyo brindado toda la vida A nuestros profesores por ofrecernos sus conocimientos A nuestros seres más allegados por estar en los momentos que más se necesitaban.

(4) CONTENIDO INTRODUCCIÓN. Pág. IV. 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.8 1.3.9. PROCESO DE DISEÑO DE KRICK. ¿Que es el proceso de diseño?. Los procesos de diseño más comunes. El proceso de diseño de Krick. Fase I: Formulación del Problema. Fase II: Análisis del Problema. Fase III: Búsqueda de Soluciones. Fase IV: Decisión. Fase V: Especificación de la Solución. Fase VI: Ciclo de Diseño. Fase VII: Optimización de la Solución. Resumen. Consideraciones acerca de un proceso de diseño.. 1 1 2 3 3 5 6 7 8 8 8 8. 2. EL PROCESO DE DISEÑO DE KRICK APLICADO A LA CÁPSULA DEL TIEMPO UNIANDES 50 AÑOS. Fase I: Formulación del Problema. 10 Fase II: Análisis del Problema (Planteamiento Analítico del Problema). 11 Fase III: Búsqueda de soluciones. 12 La Solución Actual 13 La Solución con fácil reprogramación. 13 La Solución con un GPS (Sistema de posicionamiento global). 14 La Solución con la identificación de días. 14 Fase IV: Decisión. 15 Fase V: Especificación de la Solución. 17 Fase VI: Ciclo de Diseño. 18 Fase VII: Optimización de la Solución. 19 Comentarios Sobre la Aplicación del Proceso. 19. 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8. 3 PANTALLAS DE CRISTAL LIQUIDO 3.1 ¿Como funciona una Pantalla de cristal liquido? 3.1.1 ¿Que es el Cristal Liquido?. 3.1.2 Propiedades del cristal líquido. 3.1.3 Estructura general de las pantallas de Cristal Líquido. 3.2 Manejo de una Pantalla no Multiplexada. 3.3 Pantalla Multiplexada UNIANDES 50 años. 3.4 Señales de control. 3.5 Modulo de control. 3.5.1 Pruebas Preliminares y Correcciones.. 20 20 21 21 22 25 27 30 33 I.

(5) Pág. 4 EL SISTEMA GPS 4.1 Introducción. 4.2 Características del Sistema GPS. 4.3 Segmento Espacial. 4.4 Segmento de Control. 4.5 Segmento de Usuario. 4.6 Calculando la posición y el tiempo. 4.7 Señales Trasmitidas. 4.7.1 Sincronización del Receptor con las Señales Trasmitidas. 4.7.2 Calculo de la posición con pseudo Códigos (Pseudo Rangos). 4.7.3 Posición, velocidad y hora del Receptor. 4.8 Fuentes de error en el sistema GPS. 4.9 GPS Diferencial (DGPS). 4.9.1 Ejemplo de un sistema de corrección DGPS (WAAS). 4.10 Explicando el Principio de funcionamiento. 4.10.1 Triangulación desde los Satélites. 4.10.2 Cálculos de Distancia. 4.10.3 Calculo de Tiempo. 4.10.4 Calculo de Posición. 4.10.5 Corrección de errores. 4.10.5.1 Sobre la Atmósfera. 4.10.5.2 Sobre la Tierra. 4.10.5.3 En el Satélite. 4.10.5.4 Ángulos. 4.10.5.5 Disponibilidad Selectiva. 4.10.6 Resumen de cómo Funciona el Sistema GPS. 5. 36 37 39 42 43 44 45 47 50 51 52 54 55 56 56 58 59 60 61 61 61 62 62 62 63. SOLUCION PLANTEADA. 5.1 Introducción. 5.2 El estándar NMEA 0183 V3.0. 5.2.1 Requerimientos Eléctricos. 5.2.2 Formato del Mensaje. 5.2.3 Suma de Comprobación “Checksum”. 5.2.4 Consideraciones Prácticas. 5.3 Protocolo de Comunicación RS-232. 5.4 GPS Utilizado en la Cápsula de UNIANDES 50 Años. 5.4.1 Descripción Funcional. 5.4.2 Especificaciones Técnicas. 5.5 La Fuente de Alimentación. 5.6 Tarjeta de control. 5.7 Tarjeta que adaptada el GPS A12.. 64 66 66 67 68 68 69 71 72 73 77 79 82 II.

(6) 5.8 Propuesta de diseño 5.9 Resultados. 83 84. 6. 85. CONCLUSIONES. BIBLIOGRAFIA.. 86. TABLA DE FIGURAS. TABLAS.. 88 90. III.

(7) INTRODUCCIÓN. Actualmente la Universidad de los Andes cuenta con una cápsula del tiempo que conmemorará los 100 años de fundación de la Universidad. Esta cápsula fue creada e inaugurada el 16 de noviembre de 1998, año en el cual la Universidad de los Andes cumplió 50 años de existencia. En esta se encuentran diferentes tipos de elementos y una serie de documentos que buscan mostrar nuestra cultura actual a generaciones futuras. Esta cápsula deberá ser abierta el 16 de noviembre del año 2048 cuando se conmemoren los 100 años de la creación de la universidad. El Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA), planteo la creación de un reloj digital que permitiera visualizar los días que faltan para la apertura de la cápsula. La solución actual esta diseñada con una fuente ininterrumpida de potencia, es decir que aunque se presenten fallas eléctricas causadas de manera fortuita y de manera impredecible durante 50 años, la energía al sistema no se corte jamás. El sistema no puede quedar sin energía durante ningún momento ya que se pierde el punto de referencia temporal, y así llegar a fallar el conteo de días. En la presente tesis se utiliza el método de Krick aplicado a un problema real, a través del cual de genera una posible solución al conteo regresivo del tiempo para una aplicación durante cincuenta años. Dicha solución tiene en cuenta posibles fallas de energía que producen errores de conteo y pérdida de datos. Se utilizó una metodología de diseño descendente (Top-down) es decir que se inicio con su descripción funcional, hasta llegar a su realización física. La solución aquí descrita y especificada no depende de una fuente ininterrumpida de potencia. Con esta solución se profundiza en los temas del manejo de pantallas de Cristal líquido, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), así como en las Celdas solares.. IV.

(8) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Capítulo 1 1 PROCESO DE DISEÑO DE KRICK 1.1 ¿Que es un proceso de diseño? Un proceso de diseño es el conjunto de pautas que debe seguir un diseñador para desarrollar un producto o generar una solución a un problema. Este abarca todas las actividades que transcurren desde que se identifica el problema hasta que se implementan soluciones factibles y en cierta medida satisfactorias. 1.2 Los procesos de diseño más comunes. Una de las primeras personas que se detuvo a pensar sobre estas pautas fue Krick[1] el cual descubrió que algunas de estas pautas o pasos eran comunes a la hora de enfrentar un problema y se podían generalizar. Este autor no ha sido el único que se preocupe por los pasos a seguir en el momento de generar una solución, también se encuentran otros como Retchin el cual planteo el proceso llamado “La concepción y construcción de sistemas complejos o la arquitectura de Sistemas” o Ertas y Jones que plantearon “El proceso de diseño de Ertas Jones”. En la tabla 1.1 podemos observar estos tres procesos y sus diferentes fases. El diseñador debe seguir el orden propuesto por el autor para no pasar por alto algunas recomendaciones importantes y sesgar posibles soluciones. Los tres planteamientos se caracterizan por tener diferentes fases, cada una con un objetivo especifico. Todos los procesos de diseño se pueden caracterizar en tres partes. • Etapa inicial: En esta se hace la conceptualización del problema, su análisis, la viabilidad de la solución, la identificación de los parámetros más importantes para optar por una solución u otra, así como las restricciones del problema. • Etapa de diseño: En esta se genera la implementación de la solución, en algunos casos se realiza un anteproyecto, se realiza un ciclo de diseño en el cual se llegué a simulación de todos los elementos que conforman la solución. • Etapa de producción: Se realiza la construcción de la solución, en esta etapa se plantea el proceso de producción, las estrategias para obtener las certificaciones, operaciones de diagnostico y evaluación del producto. 1.

(9) IEL2-I-2003-18. Etapa inicial: Concepción. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. La Concepción y Construcción de Sistemas Complejos o la Arquitectura de Sistemas. (Rechtin) Fase 1: Determinación de necesidades y recursos Fase 2: Construcción del Modelo. Conceptualización del sistema Definición de Interfaces.. Etapa de Diseño: Implementación. Proceso de Diseño (Krick) Fase 1: Formulación del Problema. Fase 2: Análisis del Problema. Fase 3: Búsqueda de soluciones Fase 4: Decisión Fase 5: Especificación de la solución.. Fase 3: Ingeniería a Nivel Sistema. Fase 6: Ciclo de Diseño. Ingeniería a Nivel del Diseño detallado.. Fase 7: Optimización Solución. Fase 4: Manufactura y Producción Fase 5: Prueba Certificación y aceptación. Fase 6: Operación Diagnostico y Evaluación. Fase 7: Adaptación TABLA 1.1: Algunos procesos de diseño que existen y sus relaciones entre si. Etapa de Producción Construcción. de. la. Proceso de Diseño (Ertas – Jones) Fase 1: Reconocimiento de las Necesidades. Fase 2: Conceptualización Fase 3: Análisis de Factibilidad. Fase 4: Establecimiento de los requisitos del diseño. Fase 5: Diseño preliminar , anteproyecto.. Síntesis y Análisis en el Proceso de Diseño Estructural y Organizacional Fase 6: Diseño detallado. Fase 7: Planeamiento del Proceso de Producción. Fase 8: Producción Fase 9: Proceso desarrollo de producción.. 1.3 El proceso de diseño de Krick. Krick en su libro plantea algunas pautas y las analiza para que otras personas puedan aplicarlas, es así como logra ordenar de una manera lógica el proceso de diseño. En especial, el autor le da un enfoque muy puntual al proceso y lo plantea especialmente para resolver un problema de ingeniería. El procedimiento general que Krick [1] plantea es: • “Formulación del problema: el problema de que se trate se define en • • • •. forma amplia y sin detalles. Análisis del problema: en esta etapa se le define con todo detalle. Búsqueda de soluciones: Las soluciones alternativas se reúnen mediante indagación, invención, investigación, etc. Decisión: todas las alternativas se evalúan, se comparan y se seleccionan hasta que se obtiene la solución más adecuada. Descripción detallada (Especificación): La solución elegida se expone por escrito detalladamente”.. A continuación describiremos cada fase del proceso y al final lo ejemplificamos con al problema actual y el motivo de este proyecto de grado. 2. de la.

(10) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 1.3.1 FASE I: Formulación del problema. En esta fase se invita al diseñador a conocer realmente el problema y si realmente tiene sentido intentar resolverlo. No es normal encontrar el problema de una manera directa, sino que el diseñador debe determinar en que consiste. También se invita a definirlo en términos muy generales debido a que en las demás etapas se pierde una visión global. Se tiene la tendencia de buscar soluciones inmediatamente lo cual es incorrecto porque puede llevar a errores desde un inicio porque el problema aun no ha sido definido, mas adelante existirá un momento plantear soluciones, por ahora se debe preocupar por plantear correctamente el problema. Poder plantear el problema de una manera muy amplia, hasta que las restricciones lo permitan, implica poder proponer soluciones más globales y mejores. 1.3.2 FASE II: Análisis del problema. Esta fase mejor conocida como la fase de planteamiento analítico del problema, es en la cual se deben evaluar las restricciones de las entradas, salidas, el entorno etc. Entendiendo como restricción “una característica de. una solución que se fija previamente ya sea por una decisión, debido a: la Naturaleza, el medio ambiente, a requisitos legales o por cualquier otra disposición que tiene que cumplir el que resuelve el problema”. Estas restricciones pueden tener límites concretos o simplemente rangos. Algunas veces son de tipo tecnológico, debido a que no existen los recursos tecnológicos.. En este fase para diseñar dispositivos es muy útil utilizar un diagrama de caja negra (Figura 1.1)porque en este se puede evidenciar las entradas de nuestro sistema y sus restricciones, así como las salidas que queremos. La ventaja de este método es que no se entra en detalles de cómo se va a resolver sino que se evidencia realmente el problema. Lo que tenemos. Lo que queremos. CAJA NEGRA. SALIDAS. FIGURA 1.1 Típico diagrama de caja negra para el diseño de un dispositivo.. El diseñador debe identificar todas las posibles restricciones que debe cumplir de una manera correcta y decidir cuales tienen más peso a la hora de 3.

(11) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. evaluar la solución. Por ejemplo se podría decir que la restricción de un corto presupuesto, tiene mayor peso que la restricción del tamaño del dispositivo. No se debe caer en el error de tomar algunas restricciones que realmente no existen porque se pueden desechar soluciones aptas para el problema. Este tipo de restricciones son difíciles de evidenciar porque el diseñador automáticamente las asume. En el siguiente ejemplo Krick las pone en evidencia de una manera muy sencilla “considere la Figura 1.2., Trate de unir. estos nueve puntos con no mas de cuatro trazos rectos sin despegar la punta del lápiz”.. FIGURA 1.2. Ejemplo de restricciones ficticias.. “Algunas personas no pueden resolver el problema y otras necesitan mucho tiempo porque de manera injustificada e inadvertidamente quizás descartan la posibilidad de prolongar las líneas del cuadrado mas haya del cuadrado formado por los puntos”. Es claro que las restricciones son ficticias por que el autor se las impone sin que se de cuenta que no existen. La figura 1.3. muestra la solución al ejemplo anterior. Para evitar las restricciones ficticias es recomendable no plantear los problemas como si las posibles soluciones actuales fueran la solución correcta.. Otra parte importante en esta fase es identificar cuales elementos no tienen restricción alguna para luego intentar aprovechar esta libertad, además se deben plantear los criterios que se utilizaran para seleccionar el mejor diseño. En estos se puede considerar por ejemplo el costo de fabricación, la facilidad de mantenimiento, el tamaño etc. El análisis del problema debe contemplar la cantidad de uso del dispositivo es decir si muchas veces será usado o si es solo para ser usado una vez. En este sentido Krick se refiere por ejemplo a que uno puede construir una barca para cruzar un rió, pero si son miles de personas las que tienen que hacerlo es probable que un puente pueda ser más útil. Para plantear el problema y generar una mejor solución se debe tener en cuenta el uso esperado que tendrá el dispositivo. Otro factor importante es pensar en la cantidad de dispositivos a producir porque estos pueden hacer que el diseñador piense un poco más en la facilidad de fabricación como restricción o como criterio de evaluación. Es mejor conocer o suponer el volumen de producción antes de dar soluciones al problema. 4.

(12) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. “El resultado de esta fase debe ser la definición del problema en detalle, lo que se espera maximice las probabilidades de obtener una solución adecuada”.. FIGURA 1.3. Solución al Ejemplo de restricciones ficticias. 1.3.3 Fase III: Búsqueda de soluciones. También conocida como la fase de búsqueda de alternativas de solución, no hay reglas que puedan aplicarse. Cada problema puede tener miles de soluciones y dependen de la inventiva del diseñador, de una buena labor de investigación, así como de los conocimientos de cada diseñador. Es ideal que el diseñador tenga muchísimos conocimientos técnicos y especializados, pero que por esto no deje de ser creativo y espontáneo rechazando alternativas sin siquiera mencionarlas por que a primera vista le parezcan imposibles. Es cierto que la actitud influye muchísimo; por lo cual el diseñado no debe preocuparse por cuantas soluciones hayan ideado, el siempre debe suponer que a un existen muchas mas, las cuales no han sido descubiertas. Se debe procurar buscar soluciones muy diferentes a la actual, para así no caer en buscar solamente modificaciones al sistema actual. Se debe quitar el miedo de generar soluciones muy diferentes a las que llevan muchos años implantadas, porque estas fueron generadas en otros entornos y con otras tecnologías, lo cual puede hacer que algunos limitantes de algunas otras soluciones, que antes existían ya no existan. No es momento para descartar ninguna solución por descabellada que parezca, estamos pensando en general como podría ser la solución y no en si es posible o no. “No hay que enfocarse en los detalles antes de lo necesario.” Esta etapa solo se puede dar por terminado cuando el tiempo dispuesto para la búsqueda se haya acabado.. 5.

(13) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 1.3.4 Fase IV: Decisión. El proceso de diseño lleva hasta ahora un estado donde se ha planteado el problema de una manera amplia, se identificaron las restricciones y los criterios de evaluación; así como se generaron las posibles soluciones. Esta es la fase donde se toman todos estos elementos y se analizan, para dejar la solución que cumpla de mejor manera estos criterios. En la Figura 1.4 se puede observar como el conjunto de soluciones se expande en el proceso de búsqueda de soluciones y luego se comprime en la decisión. Planteamiento del Problema Análisis del Problema. Conjunto De Soluciones. Búsqueda Soluciones. Decisión FIGURA 1.4. Estado del Proceso de diseño de Krick hasta esta fase.. Aunque cada problema tiene sus características únicas, se logran identificar cuatro pasos para evaluar las soluciones y escoger la adecuada. El primer paso es clasificar los criterios en nivel de importancia, el segundo es predecir el comportamiento de cada solución según estos criterios, el tercer paso es comparar las alternativas sobre el supuesto funcionamiento de la solución y el cuarto y último paso es tomar la decisión. Es preferible tomar todas las soluciones de forma general. Según los criterios, se van descartando las alternativas que son obviamente menos adecuadas, pero a medida que se van teniendo menos soluciones se puede empezar a hacer una mayor caracterización de la solución. Con esto se busca tener un mejor proceso de depuración. Se debe estar conciente de que en algunos casos, no todas las restricciones podrán ser cumplidas completamente, ni tampoco estar en los niveles mínimos permitidos. El ingeniero puede estar en la libertad de escoger cuales se deben tener en cuenta; más que otros. Krick plantea algunas otras las cuales son muy importantes para un 6.

(14) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. diseñador; como lo son: la relación costo a beneficio, la seguridad de los operarios, la operabilidad, la confiabilidad del sistema, la disponibilidad de la maquina y de los elementos que conforman el sistema, el numero de piezas móviles que pueden fallar. La confiabilidad se refiere a la posibilidad que nuestro diseño falle, durante un periodo especificado de tiempo; La operabilidad es la manera en que el diseño puede ser manejado e implementado, con lo cual se puede a llegar a tener unos costos muy altos por capacitación del operario, si el sistema de producción es muy complejo. La disponibilidad es la proporción de tiempo que la maquina esta en condiciones de ser utilizada; y no se encuentre fuera de servició por mantenimiento o falta de repuestos. Realmente Krick hace énfasis en: El sistema entre más sencillo sea su funcionamiento, puede llegar a ser una mejor solución. Esto evaluándola desde los criterios de operabilidad, confiabilidad, disponibilidad. Debemos tener en cuenta que no todos los criterios pueden ser cuantitativos; y a pesar de ser cualitativos o parecernos que no se influencien mucho la decisión, algunas soluciones pueden tener un mejor o peor desempeño, por lo que se deben tenerse en cuenta en la solución. En conclusión en esta etapa se debe seleccionar los criterios más importantes, luego pronosticar los funcionamientos, compararlos con las diferentes soluciones y por ultimo decidir. 1.3.5 Fase V: Especificación de la solución. Lo mas seguro es que en este momento la solución este en hojas sueltas y gran parte de ella en la cabeza del diseñador, probablemente el material que existe este desorganizado, por lo cual hace falta escribir este en una forma más organizada y detallada. Probablemente si lo presenta ante su cliente o ante sus jefes nadie lo entienda, por lo que es muy importante describir la solución en un lenguaje sencillo, buscando la comunicación exacta de nuestras ideas. Los resultados de esta fase son dibujos del proyecto, informes escritos, algún modelo físico o en 3D, que permita su visualización clara, también pueden ser simplemente dibujos detallados pero bien acotados “Planos”. En esta fase seria ideal que se especificaran los materiales de algunos elementos, métodos de unión y demás detalles. También puede especificar el tipo de entradas y salidas claramente, por ejemplo: su tipo, su unidad de medida, etc.. 7.

(15) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 1.3.6 Fase VI: Ciclo de Diseño. En esta fase el diseñador podría delegar el trabajo y olvidarse de la fabricación, pero esto generalmente no sucede. El diseñador podría estar pendiente de la aceptación, desarrollo y producción de la solución, vigilando atentamente la producción de su solución. Krick no se expande mucho sobre como debe ser el ciclo de diseño porque es específico para cada problema. Invita al diseñador a no desanimarse si su proyecto no es aprobado, o si el sistema no es adoptado inmediatamente. Así como lo invita a no culpar a nadie por esto debido a que el único culpable de que no le aprueben el diseño, es el diseñador. El cual fallo, por no poder proponer un proyecto con una cuidosa planeación y reducir al mínimo la oposición al cambio. 1.3.7 Fase VII: Optimización de la Solución. Después de producido la solución actual, se pueden hacer mejoras y ajustes a la solución para cumplir de una mejor manera con la solución del problema. Sin embargo Krick llega a ser bastante estricto y dice: “Este proceso de. diseño se completa, cuando después que una solución a un problema se ha ideado y utilizado por varios años, se da uno cuenta que seria provechoso un nuevo diseño y entonces se inicia otra vez el proceso de hallar una solución adecuada.” 1.3.8 Resumen.. En la figura 1.5 se puede resumir el proceso de Krick. En este momento lo más importante para Krick fue la identificación y posterior planteamiento del problema, así como la correcta escogencia de los criterios, lo cual lleva a escoger una buena solución. Sin embargo todo queda limitado a la calidad de las soluciones que fueron planteadas y al criterio de diseñador de escoger las restricciones que influyeron para tomar esa decisión. El riesgo que este dispuesto a asumir, puede influir en su decisión y en las consideraciones que haga dependen de los conocimientos que tenga el diseñador y su experiencia. 1.3.9 Consideraciones acerca de un proceso de diseño.. “Desde el momento en que se comienza un diseño se pone a prueba la hipótesis de que se producirá una solución ventajosa.” Es así como se inicia. con un nivel de incertidumbre en el cual no se sabe como será la solución final y mucho menos si verdaderamente se cumplirán las restricciones, junto a esto se suma el riesgo de tomar decisiones equivocadas que disminuye a 8.

(16) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. medida que se avanza en el proyecto. Enunciado vago de lo que se quiere. Formulación del problema Vista panorámica del problema. Planteamiento analítico del problema. Donde más se requiere inventiva e investigación. Son los pilares del proceso. Es donde mas tiempo se debe invertir. Búsqueda de soluciones. Análisis de restricciones y evaluación Decisión Solucione escogida en borrador. Especificación de la Solución. Detalles de la solución Propuesta FIGURA 1.5 Las partes fundamentales del proceso de diseño de Krick.. Por otro lado se tiene a pensar equivocadamente que por seguir un proceso de diseño que a dado buenos resultados anteriormente quede garantizado que la solución actual será buena. Lo único que realmente ocurre es que se aumenta la probabilidad que la solución planteada cumpla la mayoría de restricciones y se presente como la solución optima.. 9.

(17) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Capítulo 2 2. El PROCESO DE DISEÑO DE KRICK APLICADO A LA CAPSULA DEL TIEMPO UNIANDES 50 AÑOS.. 2.1 Fase 1: Formulación del problema. Al inicio de este proyecto de grado el problema se podría plantear como: El Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA) desarrollo un reloj del tiempo, el cual ha presentado inconvenientes al enfrentar fallas eléctricas de alimentación. Dado esto la fuente debería ser ininterrumpida durante 50 años. Además se tiene interés en hacer mejoras al reloj de tiempo para que su visualización no sea por una pantalla de cristal líquido comercial, sino que se ponga a funcionamiento una pantalla diseñada en conjunto, con el grupo de investigación de la profesora Allaide Mammana en Campinas Brasil [2] Vemos que el problema en este caso solo es: “La fuente debería ser ininterrumpida sobre 50 años.” Con lo cual podríamos continuar con la siguiente fase. Lamentablemente este seria un planteamiento muy errado con respecto a lo que Krick quiere, no es un planteamiento general del problema, si éste fuera el planteamiento del problema, el diseñador no logro identificar el problema real. Aplicando entonces las sugerencias de Krick se puede identificar realmente el problema actual como: Se desea mostrar a través de algún dispositivo, el tiempo restante para que la cápsula del tiempo sea abierta dentro de 50 años. Es necesario que la fecha sea mantenida o se recupere desde un punto de referencia. Es evidente que se rompe la barrera de pensar solamente en como solucionar el problema a través de la solución actual; se trasciende a un problema mucho más general que permite plantear una mejor solución. No se piensa solo en hacer una fuente ininterrumpida, si no en hacer que el punto de referencia temporal se mantenga o si este se pierde, se pueda recuperar desde algún dispositivo. En este ejemplo es claro que el diseñador puede empezar a equivocarse desde un principio, solo el podría identificar el error con mayor facilidad si se guía en una plantilla de diseño, como la propuesta por Krick. 10.

(18) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 2.2 Fase II: Análisis del Problema (Planteamiento Analítico del Problema): El asegurar que el sistema trabaje sin requerir mantenimiento con nuestra tecnología actual no es muy probable, por lo que se deben plantear estrategias de mantenimiento o reparación de los dispositivos sin suspender la energía del sistema, o si esto ocurriese crear elementos que logren reprogramar el dispositivo fácilmente. Mantener un sistema interrumpido de potencia implica grandes costos, porque este requiere un cambio de baterías, así como además de muchísimo mantenimiento. En promedio las baterías solo duran 2 años [4,5] es decir 25 cambios durante estos 50 años; con el riesgo que las especificaciones de estas ya no se consigan o simplemente sean descontinuadas. Estos grandes inconvenientes, implican el inicio de una búsqueda a otro tipo de solución, que no incluyera baterías o el uso de estas sea mínimo. Es claro que Krick nos invita a plantear restricciones las cuales en este problema podrían ser: • • • • • • • •. Minimizar el uso de baterías El sistema puede ser alimentado con corriente AC 110v Puede ser alimentado con Energía Solar de 24V a 4A, pero esta no es constante y puede variar de 0 a 24V. No se puede consumir más de 1A. Estará encerrado en un sótano, teniendo la posibilidad de comunicarse con el techo a unos 5 pisos de altura (10 metros). Es un sitio que por ser representativo para la universidad y por políticas de seguridad es de difícil acceso. Por lo que hay que minimizar el mantenimiento. El sistema no debería esperar comandos de usuario. El costo debe ser mínimo. A las 12:00 PM de todos los días se debe visualizar el número de días que faltan para que la Cápsula sea abierta.. En las anteriores restricciones hay cuantitativas y cualitativas. En las restricciones se procura contemplar aspectos como la dificultad de obtener los permisos para acceder al sitio. A pesar que esta restricción es cuantitativa; debe ser tenida en cuenta en la posible solución, es así como será cuantificada con palabras como alta media o baja.. Los criterios de evaluación de las posibles soluciones son: •. Duración de los elementos que conforman la solución. 11.

(19) IEL2-I-2003-18. • •. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Mantenimiento requerido Costo.. Básicamente el primer criterio y el segundo dependen de la tecnología que escojamos para la solución y puede ser medida en años. El segundo criterio es proporcional al costo de los elementos que conforman la solución, así como en este, se debe contemplar el posible cambio de partes a través de los años. Es medido en la moneda corriente (pesos). Otros elementos que tenemos que tener en cuenta es contar como mínimo con una resolución de días, es decir indicar cuantos días hacen falta para que sea abierta la cápsula del tiempo. El sistema y su diseño deben representar al CMUA, por lo que preferiblemente debe estar compuesta por elementos totalmente electrónicos. 2.3 Fase III: Búsqueda de soluciones En este proceso no debemos descartar ninguna posible solución por muy irreal que parezca, los elementos que tenemos a la mano para plantear posibles soluciones son nuestra creatividad, conocimiento y experiencia. No podemos plantear soluciones sin antes investigar el problema al cual nos estamos enfrentando, revisar si ha tenido soluciones anteriores y que problemas se han tenido con estas, es decir conocer el estado del arte del problema. Las soluciones que se presentaran a continuación son algunas de las que se plantearon, sin embargo debo decir que se plantearon otras como por ejemplo un reloj atómico, combinación de relojes mecánicos y electrónicos etc.. 12.

(20) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 2.3.1 La Solución Actual. Luz solar. Baterías. Fuente de energía ininterrumpida. Reloj tiempo real. Visualización. Red Electrica FIGURA 2.1 La solución actual con una fuente ininterrumpida de potencia.. En esta solución Figura 2.1 se utiliza el sistema actual sin ninguna modificación, tan solo se le agregara un sistema que permita que la alimentación sea ininterrumpida, a través de tres posibles fuentes de energía baterías, luz solar y red eléctrica, y se diseñaran estrategias de mantenimiento para el correcto funcionamiento del sistema, su respectivas fechas de cambio de baterías, así como el modo de hacerlo. 2.3.2 La Solución Actual con fácil reprogramación. Control INF. Luz solar. Baterías. Fuente de energía ininterrumpida. Receptor INF. Reloj tiempo real. Visualización con la Pantalla hecha en Brasil (MÁS GRANDE).. Red Electrica FIGURA 2.2 La solución actual con una fuente ininterrumpida de potencia mejorada.. En esta solución Figura 2.2 se contempla una pequeña modificación del sistema actual el cual implica el cambio de pantalla de visualización, así como agregar un mando por infrarrojo, el cual permita la reprogramación rápida del sistema. 13.

(21) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 2.3.3 Solución con un GPS (Sistema de Posicionamiento Global) GPS. LUZ Solar. Control. Pantalla. FIGURA 2.3 Solución con un Sistema de Posicionamiento Global (GPS).. En esta solución Figura 2.3 se utiliza una modificación al principio de funcionamiento porque el punto de referencia temporal se puede perder sin que el sistema se afecte, el punto de referencia temporal es recuperado por el sistema de posicionamiento global (GPS). Este evita la necesidad de operar con baterías, es decir el sistema no necesita un mantenimiento por la duración de sus elementos sino por la posible modificación del sistema GPS. Esta solución funcionaría solo con luz solar, el sistema se desactiva por la noche y se recupera tan pronto la energía solar sea suficiente. El sistema solo necesitaría mantenimiento preventivo. Esta solución fue propuesta después de investigar un poco sobre como se adquirir el UTC (Universal Coordinated time) para calcular la fecha y los días que faltan para abrir la cápsula. 2.3.4 Solución con la detección de días. Contador Horas Identifica El Día. Si Es Un Día Aumenta Contador Luz solar. Control. MEMORIA EEPROM. Visualización Pantalla hecha en Brasil (MÁS GRANDE). FIGURA 2.4 Solución que detecta la luz solar por unas horas le permite contar los días.. En esta solución Figura 2.4 se utiliza una memoria EEPROM y la energía solar. Mientras la luz solar exista el dispositivo identifica si es un día y aumenta el contador, para luego recalcular la fecha, la precisión del dispositivo es solo por días, no por horas minutos y segundos, aunque no se requiere fuente externa ya que el sistema toma la alimentación de la celda 14.

(22) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. solar. El dispositivo muestra la fecha durante el día, por la noche el dispositivo se apaga, se podría instalar un control para reprogramación, aunque no es necesario. 2.4 Fase IV: Decisión. En este momento se toman los criterios de evaluación de las posibles soluciones son: • • •. Duración de los elementos que conforman la solución. Mantenimiento requerido Costo.. Debemos además incluir las restricciones que son: • • • • • • • •. Minimizar el uso de baterías El sistema puede ser alimentado con corriente AC 110v Puede ser alimentado con Energía Solar de 24V a 4A, pero esta no es constante y puede variar de 0 a 24V.No se puede consumir mas de 1A. Estará encerrado en un sótano, teniendo la posibilidad de comunicarse con el techo a unos 5 pisos de altura (10 metros). Es un sitio que por ser representativo para la universidad y por políticas de seguridad es de difícil acceso. Por lo que hay que minimizar el mantenimiento. El sistema no debería esperar comandos de usuario. El costo debe ser mínimo. A las 12:00 PM de todos los días se debe visualizar el número de días que faltan para que la Cápsula sea abierta.. Las soluciones anteriores, podrían ser implementadas en dispositivos como: Microcontroladores, FPGAS, Transistores, resistencias, condensadores que están especificados para un tiempo de funcionamiento determinado y al estar implementadas en todas las soluciones se puede deducir que todas tendrán el mismo tiempo de duración sin mantenimiento o posibles fallas. Los elementos de poca duración como relees, baterías, motores a escobillas y memorias IEEPROM con límites de lectura-escritura, serán los que definan el tiempo de mantenimiento de la solución. Si se quiere minimizar el mantenimiento, se debe tener en cuenta que la solución no incluya este tipo de elementos. También podemos contemplar el posible costo de dispositivos especiales como lo es el GPS y compararlo con las otras soluciones. Podemos hacer un cuadro comparativo de las soluciones que mas nos llamaron la tensión por cumplir con la mayoría de restricciones y criterios. En la Tabla 2.1 se puede 15.

(23) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. identificar claramente los elementos con mejor puntaje en cada criterio.. del. Duración Aproximada sin Mantenimiento. Espera comandos usuario.. Alimentación con energía Solar. Alimentación AC 110V 60Hz. Uso de baterías. Costo. con. Mantenimiento requerido Mínimo. Elemento mínima Duración. Criterios y Restricciones. Solución actual. Baterías. Cada 2 años aprox.. 7.500.000. Si. SI. Si. Si. 2 años. Solución actual con reprogramación. Baterías. Cada 2 Años aprox.. 7.650.000. SI. SI. SI. Si. 2 años. Solución Con GPS. GPS. 1.200.000. NO. NO. SI. No. 25 años. Solución detecta días. EEPROM. Cuando el Estándar GPS Termine Daño en la Memoria EEPROM. 500.000. NO. NO. SI. No. 30 años. que los. TABLA 2.1 Cuadro comparativo de todas las soluciones.. La solución con GPS es la segunda mas barata y su alto costo se debe al valor del sistema GPS, con un costo aproximado de 800.000 pesos. El precio de las soluciones que incluyen baterías, es el mas alto porque se contempla cambiar como mínimo cada batería a los 2 años de funcionamiento, es decir 25 cambios en 50 años, teniendo en cuenta solo el valor actual, sin el aumento del costo de vida y demás posibles costos incrementales; se tiene un valor de 280.000 pesos de cada batería con 12V 4Ah. Es por eso que solo en baterías el sistema tenga un costo de 7.000.000. El sistema con baterías necesita tener un sistema de reprogramación debido a que si la fuente ininterrumpida falla el sistema debe ser reprogramado por lo que el usuario deberá estar revisando el sistema, no solo por mantenimiento sino también, por posibles fallas eléctricas justo cuando ocurra el cambio de baterías o en casos especiales. El sistema no tiene un usuario como tal, por lo que la única entidad responsable del reloj de la cápsula del tiempo es el CMUA, la cual no puede estar cambiando partes de la cápsula cada 2 años y asumiendo los costos que implica tener un personal dedicado solo a vigilar el correcto funcionamiento del sistema. A pesar de que la solución que detecta los días presenta grandes ventajas en costo, y a nivel de mantenimiento, mi deseo de trabajar con el sistema GPS me llevo a desarrollar la solución con GPS.. 16.

(24) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 2.5 Fase V: Especificación de la solución. Se volvieron a plantear los objetivos primarios para la solución, los cuales fueron. • Visualizar el tiempo que falta para que la cápsula sea abierta. • Mantener el conteo a pesar de las fallas de alimentación. • Minimizar el mantenimiento. • Asegurar elementos que permitan la reprogramación del reloj rápidamente. Se empezó por plantear el diagrama de caja negra (Figura 2.5) que especifique las entradas al sistema y las salidas (Tabla 2.2). DATOS DE LOS SATELITES GPS ENERGIA ELECTRICA 110V A/C. FECHA DE APERTURA DE LA CAPSULA. SISTEMA. ENERGIA SOLAR FIGURA 2.5 Diagrama de Caja Negra de la Solución. Descripción entradas - salidas: Nombre. Tipo:. Función:. Energía Electrica. Entrada Análoga, seno, 110V AC, 60 Hz.. Alimentar al sistema.. Restricciones: La energía eléctrica no es ininterrumpida es posible que esta se corte en cualquier momento, el único requerimiento es que este presente mínimo 2 horas diarias para presentar la fecha y la hora en que será abierta la cápsula. Aunque si esto no ocurre solo implica que ese día no se mostrara la fecha. Nombre. Tipo. Energía Solar. Luz solar At/m^2. Función Mantener el sistema operando si la energía ecléctica falla a través de la celda fotovoltaica.. Restricciones: La energía solar solo esta presente en horas de la mañana y no siempre puede asegurar entregar una cantidad específica pues depende exclusivamente del clima y la luz solar Nombre. Tipo. Dato de los satélites GPS. Microondas Frecuencia L1 (1575.42 MHz),L2 (1227,60)MHz. Función Ubicar la posición actual longitud, latitud de cómo mínimo 3 satélites así como su reloj interno. Para que el sistema pueda calcular la fecha y hora referida un punto especifico. Restricciones: Las señales deben provenir por lo menos de 3 satélites para hacer la triangulación de la posición. Nuestro receptor debe avistar el horizonte siempre. TABLA 2.2 El Diagrama de Caja Negra de la Solución. 17.

(25) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. La solución planteada se le incluyo la posibilidad de ser alimentada con energía de la red eléctrica, previendo que en un día nublado a la 12:00 PM no se podría visualizar la fecha, debido a que la energía solar no es suficiente. En las especificaciones se busca que el sistema no requiera mantenimiento por lo que el GPS permite que el usuario no deba intervenir nunca en el funcionamiento del dispositivo, porque este, adquiere el punto de referencia (entendido este como el tiempo actual) directamente de los satélites y no necesita ser reprogramado, debido a que el calculó del conteo lo hace el control por defecto. El sistema no recibe comandos de usuario esto se evidencia en la plantilla de diseño Figura 2.6 en la cual además se observa que la información será entregada a través de una pantalla de LCD. Módulos de Control. Modulo de interfase De Salida. Control. Módulos de interfase de entrada. GPS. Modulo de Visualización Con Pantalla hecha en Brasil (MÁS GRANDE).. Fuente de energía. Módulos de servicio FIGURA 2.6 Plantilla de diseño de la Solución.. A simple vista esta solución parece muy básica lo cual permite pensar que el sistema estará compuesto por muy pocas partes, lo cual disminuye la probabilidad que el sistema en conjunto falle. En este momento la solución podría ser implementada por cualquier diseñador. Los demás detalles de la solución serán explicados en capítulos posteriores así como la propuesta de diseño. 2.6 Fase VI: Ciclo de Diseño. En el ciclo de diseño se planteo una caja negra, luego se hizo una segunda partición que permitió generar una serie de bloques cada vez mas pequeños continuando con este proceso hasta llegar a un grado de granularidad en el 18.

(26) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. cual es posible realizar y validar el bloque de una manera muy sencilla, sin preocuparse por la tecnología que se va utilizar. En este caso se implementa una fuente de 9V a 1 Amperio. Se le da prioridad a la energía solar que es entregada por la celda (24V, 4ª a 25ºC), la cual si disminuye de 8.76V conmuta a la red eléctrica, sin que el sistema se apagué. Además tiene elementos de protección para la celda solar y posibles cortos. Se realiza también un sistema microcontrolador que genera e interpreta comandos NMEA 2.1V (Nacional Marine Electronics Association) en protocolo RS 232, con 8 bits, sin paridad y un bit de parada, además de un código de detección de error. Siendo esto el formato por el cual se controla al GPS. El sistema incluye una tarjeta controladora de la pantalla de cristal líquido implementada en una MAX7000 y programada en VHDL. 2.7 Fase VII: Optimización de la Solución. En la etapa de implementación se evidenciaron algunos problemas al escoger la tecnología, ya que desafortunadamente no hay acceso a todos los dispositivos que se producen debido a que se presenta una gran limitación en el mercado Colombiano y en los altos costos a los que se incurren por la importación de estos dispositivos. Es así como el código generado en VHDL no pudo ser implementado totalmente en un solo Chip MAX7000 128LS84-15, lo cual elevó el costo para lograr implementar la pantalla de Cristal liquido desarrollada. Básicamente una mejora a la solución actual podría no contemplar la incorporación de esta pantalla hasta obtener un dispositivo más adecuado. 2.8 Comentarios Sobre la Aplicación del Proceso. El planteamiento más amplio del problema permitió presentar una solución muy diferente a la actual, a pesar de enfrentar el mismo problema. En este Ciclo de diseño se cometió un error al no incluir dentro de las restricciones una que incluyera la limitación de la tecnología disponible. Sin embargo la solución Implementada cumple con todas las restricciones que se propusieron desde un principio.. 19.

(27) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Capítulo 3 3 PANTALLAS DE CRISTAL LIQUIDO 3.1 ¿Cómo funcionan las pantallas de cristal liquido?. El principio de estas pantallas se basa en hacer que un segmento permita el paso de luz a través de un vidrio transparente, o que se impida el paso de luz, lo cual hace que ese segmento se oscurezca. Este estado de encendido y apagado es controlado por un campo eléctrico. Todo esto se logra gracias al cristal líquido. 3.1.1 ¿Qué es el cristal líquido? En los sólidos cristalinos las moléculas se ordenan en estructuras tridimensionales, sus átomos permanecen en estas estructuras, a pesar de pequeños movimientos a la azar, dados por aumento en la temperatura. En los líquidos en cambio, estas estructuras tridimensionales no existen porque las moléculas se mueven libremente, aunque se forman enlaces por periodos muy cortos de tiempo. Este tipo de cristal se obtiene a partir de un líquido que logra crear grandes moléculas, estas no están ordenadas rígidamente, como lo seria si este material fuera sólido, ni tampoco se mueven al azar, como si este material fuera un liquido. El cristal líquido tiene la capacidad de combinar las características de un sólido y un líquido a la vez. Hay quienes creen que es otro estado de la materia [6]. Básicamente el material utilizado en la mayoría de pantallas de cristal liquido es el llamado Twisted-Nematic cuyas moléculas tienen una forma rectangular de típicamente unos 20[A] de largo y unos 5[A] de diámetro; se ordenan típicamente de forma paralela unas con otras (Figura 3.1) formando un estado que se conoce como Nematico (Nematic).. FIGURA 3.1 Material Twisted-Nematic: partículas en forma rectangular en estado Nematico. (paralelas unas con otras).. 20.

(28) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Este material es utilizado en pantallas por sus características ópticas, las cuales son determinadas por el eje óptico que tenga el material, en el momento que incide la luz [7]. 3.1.2 Propiedades del cristal líquido. “Las propiedades que permiten que este material sea aplicado en pantallas de cristal liquido son: 1. La orientación del eje óptico puede determinarse mediante fuerzas eléctricas muy débiles o mediante fuerzas ejercidas por superficies en contacto con el cristal líquido. 2. Si se hace incidir luz polarizada sobre un cristal líquido, ésta se comporta de diferentes maneras, dependiendo de cómo está orientada respecto del eje óptico en el estado nemático” [6]. 3.1.3 Estructura general de las pantallas de Cristal Líquido. La orientación del eje óptico se logra de dos diferentes formas: • •. La primera forma de dar orientación es: colocando en contacto el cristal liquido con un material que tiene un ordenamiento definido. La Segunda forma de dar orientación es: con campos eléctricos muy débiles.. Para lograr la primera forma de orientación, se puede por ejemplo frotar un vidrio contra un filtro, esto forma en el vidrio unos pequeños surcos. Estos surcos guiaran las moléculas de cristal líquido cuando entren en contacto con este vidrio. Para formar la pantalla de cristal líquido se deben tomar dos vidrios previamente frotados con el filtro, orientandolod de una forma que los surcos queden perpendiculares. En la mitad de los dos vidrios se coloca el cristal líquido. Segundo Vidrio polarizado a 0ª. Primer Vidrio polarizado a 90º. Moléculas de cristal líquido. FIGURA 3.2 Construcción básica de una pantalla de cristal Liquido.. 21.

(29) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. En la figura 3.2 se muestra la configuración básica de una pantalla de cristal liquido, auque el dibujo no este a escala, se puede observar como las partículas de cristal liquido en los extremos, están alineadas con la polarización del vidrio; a medida que vamos avanzando hacia el otro extremo las partículas van rotando, formando una especie de escalera en forma de caracol. Una vez echa esta configuración, la orientación del cristal liquido puede cambiarse sí se aplica un campo eléctrico entre las placas de vidrio. Para que se pueda generar el campo eléctrico entre las placas de vidrio, estas deben ser recubiertas con una capa metálica muy delgada, la cual no debe alterar la superficie transparente del vidrio. El campo eléctrico alinea las moléculas como se muestra en la figura 3.3 y cuando este desaparece las partículas vuelven a su estado anterior (escalera de caracol). Moléculas que se alinean con campo. Capa delgada de Metal. FIGURA 3.3 Construcción básica de una pantalla de cristal líquido cuando se aplica un campo Eléctrico.. La configuración anterior, es la utilizada para producir el efecto de prendido o apagado en una pantalla de cristal liquido sobre un segmento. La luz puede pasar cuando las partículas forman la escalera en forma de caracol, (figura 3.4) entonces se ve transparente es decir apagado. Cuando se aplica el campo eléctrico el segmento se torna oscuro, esto porque la luz no atraviesa el segmento, es decir el este se vera prendido.. FIGURA 3.4 A la izquierda la luz atraviesa el segmento y a mano derecha la luz no logra atravesar el segmento que se vería oscuro.. 22.

(30) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Por ultimo, en la figura 3.5 podemos observar el diagrama de un segmento de una pantalla de cristal liquido, la cual esta construida con una placa de vidrio polarizada a 90º y una placa polarizada a 0º. Las dos placas están separadas por 6[µm], entre esta separación se encuentra el cristal liquido, en el fondo de la pantalla hay una superficie que refracta la luz. Esta configuración es típicamente utilizada en dispositivos con baterías, debido a su bajo consumo de potencia. Esto se debe a que este tipo de pantallas utiliza la luz externa para funcionar, además cada segmento se comporta como un condensador el cual consume alrededor de 1 pico Amperio.. FIGURA 3.5 Esquema final de un segmento de la pantalla de cristal líquido.. 3.2 Manejo de una pantalla de Cristal Liquido no Multiplexada. La pantalla a controlar no es Multiplexada y posee una patilla común a todos los segmentos, en la figura 3.6 aparece el panel frontal y la cara posterior de la pantalla, aunque cada fabricante de pantallas define los pines a conveniencia el principio de funcionamiento es el mismo. Esta pantalla tiene 3 ½ dígitos.. FIGURA 3.6 Pantalla de 3 ½ dígitos, no Multiplexada.. 23.

(31) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Básicamente las pantallas de cristal liquidó o LCD, trabajan con una señal de corriente alterna a bajo voltaje (comúnmente de 3 a 15 Vrms) y baja frecuencia (25 a 60Hz); así como consumen muy poca corriente. El voltaje alterno se aplica entre el segmento que se desea encender y el plano posterior, el cual es común a todos los segmentos. El segmento y el plano posterior forman un condensador, que necesita muy poca corriente. Generalmente la señal AC no es inferior a los 25Hz, ya que si es más lento se produce un parpadeo visible al ojo humano. En la tabla 3.1 podemos ver las diferencias entre una pantalla de LCD y una basada en diodos emisores de luz (LED). LCD LED, Display 7 segmentos ,etc Bajo consumo ideal para aparatos a Gran consumo de corriente batería AC (25 a 60 Hz) DC Necesita luz externa No necesita fuente externa de luz TABLA 3.1 Comparación entre Pantallas de LCD y Siete segmentos, LED.. El principio de funcionamiento es sencillo, el voltaje debe ser aplicado al segmento, de tal manera que tenga una frecuencia no inferior de 25Hz con una amplitud de 3 a 15 Vrms según lo especifica el fabricante. El diagrama de cada segmento se observa en la figura 3.7 así como los respectivos voltajes deseados. V1 (panel Superior) V1. V2. 0 5 0. 0 0 5. VOLTAJE SEGMENTO 0 5 -5. V2 (panel Inferior, Común) FIGURA 3.7 Segmento de un LCD y la tabla con los voltajes requeridos.. En vez de generar un voltaje AC con fuentes negativas y positivas, es más práctico producir una onda cuadrada y desfasarla para que la sumatoria de voltajes sobre cada segmento sea positiva y negativa. Esto generalmente de implementa utilizando solo una fuente positiva y una compuerta XOR. El arreglo presentado en la figura 3.8 permite generar estos voltajes [8] deseados así como controlar el encendido y apagado de cada segmento de forma independiente a niveles de voltajes lógicos. Gracias a la compuerta 24.

(32) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. XOR el voltaje se alterna entre 5 y –5 voltios, cuando control es igual a un uno lógico. Se utilizan dispositivos CMOS para manejar el LCD, porque requieren menos potencia, además el voltaje de salida en 0 lógico en la tecnología TTL es de casi 0.4V y no es exactamente 0V, como lo es en la tecnología CMOS. Esto produce un voltaje DC entre el plano y el segmento, lo cual reduce la vida útil del LCD.. FIGURA 3.8 Circuito de control de un segmento de un LCD .. Para general la onda, se debe utilizar una Reloj externo el cual se aplica al plano posterior y a una de las entradas de la compuerta XOR, la otra entrada de la compuerta es el Bit de control de encendido / apagado del segmento. En la tabla 3.2 se observa los diferentes valores lógicos así como los valores de voltaje sobre el segmento. RELOJ. CONTROL. SALIDA XOR. VOLTAJE EN EL SEGMENTO. 0 0 1 1. 0 1 0 1. 0 1 1 0. 0 5 0 -5. TABLA 3.2 Voltajes del circuito de control de un segmento de un LCD .. 3.3 Pantalla Multiplexada UNIANDES 50 Años. Esta pantalla fue desarrollada por el Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes en conjunto con el grupo de investigación de la profesora Allaide Mammana en Campinas Brasil [4]. La pantalla tiene 40 segmentos, los cuales forman 5 dígitos así como se presentan 5 letreros especiales. Para manejar estos segmentos se necesitarían 41 pines como mínimo; con lo cual se elevaba mucho el costo de fabricación, así que se 25.

(33) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. decidió fabricar una pantalla multiplexada. El nivel de multiplexación es de 3:1, con lo cual se logro manejar todo el sistema con 3 pines comunes y 15 pines los que corresponden a cada fila del sistema, es decir un total de 18 pines para manejar toda la pantalla. La figura 3.9 la parte superior e inferior de la pantalla de cristal liquido de matriz pasiva, de cristal Twisted-Nematic.. FIGURA 3.9 Diagrama de la Cara superior e inferior de la Pantalla UNIANDES 50 años.. 26.

(34) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Las especificaciones de la pantalla de Cristal Liquido se observan de la tabla 3.3 DATOS TECNICOS GENERALES Área de visualización. 42 x 108 mm. Dimensiones Externas. 66 x 112 mm. Espesor. 2.4 mm. Dirección preferencial de Visualización. 90°. Temperatura de operación del cristal liquido. -50 a 108 C°. Razón de contraste. 30:1. Accionamiento Multiplexado. 3:1. Conector. Dos conectores de 9 pines Min. Tensión de operación (V) Frecuencia de operación. (Hz). Tipico. Max. 3. 6. 9. 45. -. 100. -. -. 5 uA. Consumo de corriente total.. TABLA 3.3 Especificaciones Técnicas de la Pantalla UNIANDES 50 años.. 3.4 Señales de Control. El manejo de una pantalla Multiplexada es un poco diferente a lo que se tenia anteriormente, debido a que se requieren señales ortogonales entre si, esto para no generar diferencias de potenciales entre los segmentos que se quiere que permanezcan apagados. Cada segmento sigue siendo un condensador, solo que este tiene otros conectados al mismo Bit de control, aunque tienen diferentes comunes. La figura 3.10 muestra el diagrama de conexiones de una fila de la pantalla UNIANDES 50 años. Fila 1 Común 1 Común 2 Común 3 FIGURA 3.10 Resultado de la multiplexación 3:1 de la Pantalla UNIANDES 50 años.. 27.

(35) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. Las señales de control [2] se crean con la idea de lograr un barrido de tal forma, que primero se prendan los condensadores superiores, luego solo los intermedios y por ultimo únicamente los inferiores de la fila, esto inyectando las mismas tres secuencias de los comunes y lo único que cambia es la señal inyectada por la fila. Cada señal debe tener como mínimo tres niveles de voltaje diferentes, para lograr que las señales sean ortogonales entre si. Las señales se muestran en la figura 3.11.. COM 1. ON 1. 1,20. 1,20. 1,00. 1,00. 0,80. 0,80. 0,60. COM1. 0,60. 0,40. 0,40. 0,20. 0,20. 0,00. 0,00 1. 2. 3. 4. 5. ON1. 1. 6. 2. COM 2. 3. 4. 5. 6. ON 2. 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20. 1,20 1,00 0,80. COM2. 0,60. ON2. 0,40 0,20. 1. 2. 3. 4. 5. 0,00. 6. 1. 2. COM 3. 3. 4. 5. 6. ON 3 1,20. 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00. 1,00 0,80. COM3. 0,60. ON3. 0,40 0,20 0,00. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. FIGURA 3.11 Señales de Control y encendido de la pantalla de UNIANDES 50 Años.. La señal on1 prende el segmento superior, la señal on2 prende el segmento intermedio, la señal on3 prende el segmento inferior y por ultimo la señal OFF (figura 3.12) evita que se prenda cualquier segmento. 28.

(36) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. OFF. 0,7000 0,6000 0,5000 0,4000 OFF. 0,3000 0,2000 0 , 10 0 0 0,0000 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. FIGURA 3.12 Señal que inyectada por la fila apaga la pantalla de UNIANDES 50 Años.. La diferencia de potencial que existe en el primer segmento es la producida por Com1-Fila1, la diferencia de potencial sobre el segundo segmento es Com2 -Fila1 y por ultimo la diferencia de potencial sobre el último segmento es Com3-Fila1. 1 ,5 0 1 ,0 0 C O M 1 -O N 1. 0 ,5 0. C O M 2 -O N 1. 0 ,0 0 1. -0 ,5 0. 2. 3. 4. 5. C O M 3 -O N 1. 6. C O M 1 -O F F. -1 ,0 0 -1 ,5 0 1 ,5 0 1 ,0 0 0 ,5 0. C O M 1 -O N 2 C O M 2 -O N 2. 0 ,0 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. - 0 ,5 0. C O M 3 -O N 2 C O M 2 -O F F. - 1 ,0 0 - 1 ,5 0. 1 ,5 0 1 ,0 0 0 ,5 0. C O M 1 -O N 3 C O M 2 -O N 3. 0 ,0 0 1 - 0 ,5 0. 2. 3. 4. 5. 6. C O M 3 -O N 3 C O M 3 -O F F. - 1 ,0 0 - 1 ,5 0. FIGURA 3.13 Posibles voltajes sobre cada Segmento superior, intermedio e inferior con cada señal on1, on2, on3 y off.. 29.

(37) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. En conclusión las señales a utilizar, tienen tres diferentes niveles de voltaje, además son secuencias de señales de seis diferentes etapas cada una. El barrido se hace en tres partes, (superior, media, inferior) el cual debe tener una frecuencia mínima de 60 Hz para el correcto funcionamiento de la pantalla. El valor del Voltaje efectivo sobre cada segmento, debe ser superior a 3V en encendido. Estos requerimientos se logran con las señales anteriormente presentadas y gracias a la sumatoria de las señales sobre cada segmento. 3.5 Modulo de Control. El primer problema por resolver fue el generar los diferentes valores de voltaje, de manera que se pudiera implementar un control rápidamente en un dispositivo digital. Siguiendo los trabajos realizados anteriormente [2] se aplico un arreglo de resistencias para producir los voltajes a partir de un dispositivo digital figura 3.14 Esto se puede hacer debido a que la corriente que circula por el segmento es muy pequeña. D1 D2 D3 Razón Voltaje [V] 0 0 0 0 0 0 0 1 1/3 1.6 0 1 1 2/3 3.3 1 1 1 1 5 FIGURA 3.14 Arreglo para generar voltajes análogos a partir de una palabra digital.. El modulo de control debía recibir el dato, la dirección, el reloj y un bit que controle el flujo en el bus de datos y direcciones. Además el modulo de control debe generar las respectivas señales para los 3 comunes y las 15 filas. Visualizando el numero deseado en cada digito teniendo la posibilidad de decidir que letrero o letreros prender. El primer diagrama de caja negra se muestra en la figura 3.15. Datos [BCD] Dirección DatoVal. Clock. 4 3. Controlador Pantalla. 1 1. 9 Sup 9 In. 4MHZ FIGURA 3.15 Controlador de la pantalla granularidad 1.. 30.

(38) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. En la tabla 3.4 se define la función de cada una de las entradas. Nombre de la Entrada. Datos en BCD. Tipo. Digital. # de Bits. 4. Dirección. Digital. 3. DatoVal. Digital. 1. ClocK. Digital. 1. Valores Si es un Digito: 0000=0,0001=1,0010=2 0011=3,0100=4,0101=5 0110=6,0111=7,1000=8 1001=9,1010=G,1011=H 1100=A,1101= :,1110=. 1111= Apagado Si es Letrero: 0000=CMUA,0001=BIEN 0010=BAJAS,0011=SOLAR 0100=MAGNETICA,0101=C,BI 0110=C,BA,0111=C,S 1000=C,MA,1001= BI,BA 1010= BI,S,1011= BI,MA 1100=BA,S,1101= BA,MA 1110=S,MA., 1111= Apagado. Se accede a: 000= Digito1 001= Digito2 010= Digito3 011= Digito4 100= Digito5 101= Letrero Por flanco de bajada captura los datos del puerto de direcciones y datos Depende de la Tecnología a Implementar. TABLA 3.4 Definición de las entras al sistema.. Las salidas son todas del tipo digital compuestas de 3 bits cada una, en total son 15 filas, más tres comunes, es decir 54 pines de salida. Esto limita un poco la tecnología a implementar y a pesar de querer implementar la solución en cualquier tecnología, por facilidad en este momento se decide trabajar en una FPGA programada en lenguaje VHDL. En este momento la universidad dispone de un chip MAX 7000 de referencia 12884-15 lo que quiere decir que disponemos de 128 macro celdas con 84 pines y retardo de 15ns, la actual tarjeta de desarrollo trabaja a 4MHz. Por lo cual se define esta frecuencia como el reloj a implementar. El siguiente paso es seguir partición ando este gran bloque en unos más pequeños, hasta llegar a unos que sean fácilmente implementables. Como se conoce lo que se desea hacer; se empieza a pensar a nivel hardware en los 31.

(39) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. elementos necesarios para que el dispositivo cumpla la función deseada. Un gran problema que se tiene al haber programado en un lenguaje como C o Visual C, es que se confunde al programador en la manera de generar código sintetizable. Si se programa en estos lenguajes, se asume que el hardware ya existe y solo es decir como utilizar los recursos (memoria, puertos, pilas etc..) de manera que cumplan una función. A diferencia de lo que es programar en lenguajes como VHDL el cual esta diseñado no para administrar recursos, si no para implementar hardware e interconectarlo para que cumpla una función. Es decir no existen variables como tal sino señales y registros que tienen que ser creados previamente antes de poder ser utilizados por otros bloques más complejos. Para continuar con nuestro diseño, se realiza una segunda partición (figura 3.16) en la cual se busca una mayor simplificación de cada bloque. En esta partición se evidencia la necesidad de almacenar la información de cada digito, es decir se nesecitan 5 registros, además de agregar un sexto registro para almacenar la información dirigida hacia los letreros. También se implemento una maquina de control que decodificaba la dirección y habilitaba el respectivo registro. Asimismo tiene la función de validar la información por flanco descendente del bit DatoVal. 3. 3. Dig1. 4. R R. Deco1. R. 1. Dig1. R. Dig2. R. Deco2. R R. MUX. Dig3. R. Deco3. R. 4. R. Deco4. R. Dig4. R. Dig5. R. Deco5. R. 1. Letrero. 4. 1 CLOCK. R. Com 1. R. Com 2. 3 R. Control. Dig5. TIMER. 1. DecoLet. 1. 3. Dig3. R. Dig4. Dato Dirección Clock datoval. Dig2. Divide Clock. Com 3. FIGURA 3.16 Controlador de la pantalla granularidad 2.. El Bloque “Deco” recibe el dato en BCD capturado en los registros, así como 32.

(40) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. un bit más para prender o apagar el letrero. Luego lo codifica de manera que se convierta en 3 columnas, cada una de tres bits, cada una corresponde a los segmentos de un digito en la pantalla. La figura 3.17 muestra el valor a la salida del decodificador cuando el BDC = 0 y el letrero esta apagado. En el caso que se desee prender el letrero se hace COL1(2)=COL3(2)=1 porque en algunos dígitos el letrero se maneja con COL1(2) y en otros con COL(3).. COLUMNA Col1(0) Col1(1) Col1(2) Col2(0) Col2(1) Col2(2) Col3(0) Col3(1) Col3(2). Valor 1 1 0 1 0 1 1 1 0. FIGURA 3.17 Salida del Decodificador cuando BCD = 0.. El bloque Mux se encarga de recibir el reloj las columnas como entrada y a la salida genera el barrido, así como genera las señales para conmutarlas, dependiendo si se quiere prender y apagar la fila. 3.5.1 Pruebas Preliminares y Correciones Al trabajar a 4MHz el Mux genera un el barrido a la frecuencia de 1KHz, el ciclo útil de las señales no es lo suficientemente grande a pesar de dividir el reloj que entra al Mux en un factor de 8 es decir un barrido a 125Hz el dispositivo no alcanza a prender los segmentos. Se decide como primera medida modificar el Mux para que genere señales con un ciclo útil mucho más grande, ampliando solo la señal en la parte donde tienen mayor o menor voltaje como se ve en la figura 3.18. En esta figura se muestra un ejemplo de las señales modificadas para generar un ciclo útil cuatro veces mayor. Al final se decide utilizar señales con un ciclo útil catorce veces mayor, es decir en vez de generar señales de 6 pasos se generan señales de 32 pasos de los cuales permanecen 14 en el valor máximo, 14 en el valor mínimo y solo 4 en valores intermedios. El hacer esta modificación implico que los comunes no eran los mismos para cada señal de on1, on2, on3, sino que dependiendo del segmento (superior, medio, inferior) se debían generar los comunes modificados para cada ciclo. 33.

(41) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. 1,500 0 1,000 0 0,500 0 0,000 0. COM1-ON1 COM2-ON1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. -0,5000. COM3-ON1. -1,0000 -1,5000. 1,5000 1,0000 0,5000. COM1-ON2. 0,0000. COM2-ON2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. -0,5000. COM3-ON2. -1,0000 -1,5000. 1,5000 1,0000 0,5000. COM1-ON3. 0,0000. COM2-ON3 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 0,5000. 8. 9. 10. 11. 12. COM3-ON3. 1,0000 1,5000. FIGURA 3.18 Ejemplo de las señales modificada 4 veces.. El modulo Mux modificado se aprecia en la figura 3.19. Este se diferencia del modulo inicialmente implementado porque las señales tienen 32 pasos así como los comunes son diferentes para cada barrido. Dependiendo de el valor del contador, del ciclo en que se encuentre y si del segmento que debe prender o no; el sistema decide que señal debe colocar en la salida de cada fila y los comunes. A pesar de haber echo estos cambios, el sistema prendía los segmentos pero la velocidad de barrido era inferior a 25Hz con lo cual el barrido era visible al ojo Humano, para corregirlo se debía aumentar el reloj del Mux, lo cual implico disminuir el ciclo útil. Es decir se llego a un compromiso, donde si se 34.

(42) IEL2-I-2003-18. REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS. aumentaba la velocidad, el ciclo útil disminuía. CLK. 2. CICLO on1. MAQUINA. 5. 3. 3. on2 on3 Com1on1 Com2on1. RST. HAB. TIMER. Com3on1. MUX CONTADOR. Com1on2 Com2on2 Com3on2. Com1on3 Com2on3 Com3on3. 3. FIGURA 3.19 Mux que genera señales con un ciclo util 14 veces mayor.. Para lograr aumentar el Voltaje efectivo sin modificar la duración del ciclo útil se hizo una modificación al hardware inicial. Se incluyo un amplificador operacional en configuración no inversor, a la salida del arreglo de resistencias para aumentar el voltaje pico del sistema con lo cual el voltaje efectivo también aumento. Esta modificación hizo que la pantalla funcionara correctamente, pero con la limitación de solo poder implementar tres dígitos debido a que el código ocupaba el 97% del dispositivo y si se deseaba implementar los cinco dígitos se necesitarían 260 macro celdas según la simulación. El código para tres dígitos se incluye en el anexo 1 y el código para los cinco dígitos se incluye en el anexo 2. 35.