ESPECIALIDAD EN SISTEMAS INMERSOS
“EMULADOR DE SISTEMA DE PRUEBAS PARA ABANICOS”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE ESPECIALISTA EN SISTEMAS INMERSOS
P R E S E N T A:
CARLOS ANTONIO GORIBAR JIMÉNEZ
BAJO LA DIRECCIÓN DE:
DR. ROBERTO HERRERA CHARLES
JULIO, 2010 TIJUANA, B.C., MÉXICO
Quiero agradecer principalmente a mis padres, cuyo apoyo fue parte fundamental a lo largo de mi carrera y después al cursar la especialidad.
A mis hermanos que han soportado mis estados de ánimo.
Un agradecimiento a mis amigos, que han estado conmigo en las buenas y en las malas, quienes han estado ahí brindándome parte de su tiempo, dándome ánimos cuando más lo necesitaba, ellos son mis hermanos de distintos padres.
A mis profesores que tuvieron la paciencia de explicarme una y otra vez los fundamentos de cada una de las cosas que enseñaban.
A aquellas personas que creyeron en mí aun cuando me vieron tropezar una y otra vez pero que no me quitaron su confianza, una vez más gracias a mis padres.
Pero en especial mi agradecimiento al padre de las luces celestiales el cual
brinda vida y aliento a toda alma viviente que se mueve sobre la tierra.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página i
TABLA DE CONTENIDO
Resumen ... iii
Abstract ... iv
Lista de acronimos ... v
1. INTRODUCCION ... 1
1.1 Planteamiento del problema ... 1
1.2 Hipótesis ... 1
1.3 Objetivos ... 1
1.4 Justificación ... 2
2. MARCO TEORICO ... 3
2.1 Sistemas Manuales ... 3
2.2 Sistemas Automáticos. ... 6
2.3 Emuladores ... 7
3. SISTEMA ... 9
3.1 Descripción general del sistema ... 9
3.2 Descripción del Sistema de Prueba. ... 9
3.3 Emulador de Prueba de Abanicos... 10
4. PRINCIPIOS ... 12
4.1 Fundamentos de la transferencia de calor. ... 12
4.2 Enfriamiento por aire. ... 13
4.3 Características eléctricas del Abanico ... 14
4.4 Sensor del tacómetro ... 16
Especialidad en Sistemas Inmersos Página ii
4.4.1 Formas de onda de salida del tacómetro. ... 17
4.5 Control de velocidad. ... 19
4.6 El Termistor. ... 19
4.6.1 Caracterización del termistor: ... 21
5. RESULTADOS ... 22
5.1 Secuencia de prueba actual. ... 22
5.2 Sistema de prueba propuesto. ... 24
5.3 Emulación de dispositivos. ... 25
5.3.1 Emulación de Abanicos. ... 26
5.3.2 Emulación de Termistores. ... 26
6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ... 28
7. BIBLIOGRAFIA ... 29
Especialidad en Sistemas Inmersos Página iii Resumen.
Actualmente la necesidad de asegurar la calidad de los productos manufacturados en la industria es cada vez mayor. Una forma de ayudar a asegurar la calidad es realizar diversas pruebas a los productos, esto incluye pruebas eléctricas en productos electrónicos.
Entre mayor calidad se desee en este aspecto, más exhaustivas deberán ser las pruebas.
Durante el desarrollo de este documente se aborda el problema de la prueba funcional de una tarjeta electrónica, lo cual implica un conocimiento básico del funcionamiento interno de dicha tarjeta, pero un conocimiento total de las entradas y salidas durante su funcionamiento, ya que las señales eléctricas de salida con respecto a las entradas aplicadas por un sistema externo es lo que nos lleva a la conclusión de que un sistema esta trabajando como se espera que lo haga o si tiene algún defecto.
Es muy común encontrar este tipo de sistemas para pruebas funcionales en productos manufacturados en las empresas maquiladoras, dichos sistemas varían en cuanto a la exactitud, velocidad y confiabilidad de sus pruebas, lo cual redunda en una mejor calidad de sus productos, ya que al asegurar que sus productos funcionan eléctricamente como se supone que lo harían su competitividad en el mercado aumenta.
El sistema estará basado en un microcontrolador, ya que se pretende sea un sistema inmerso, sencillo y pequeño, además el utilizar un microcontrolador implica un costo reducido del sistema.
Con este sistema de prueba se pretende reducir sustancialmente el tiempo que se requiere para realizar las pruebas eléctricas actuales a solo un 10% de su tiempo original de prueba, ya que actualmente las pruebas son llevadas a cabo por un operador entrenado y un sistema de pruebas que utiliza una computadora personal y un software con interfaz gráfica, sin embargo, el sistema que se propone será completamente automático, es decir sin intervención del operador durante el tiempo de la prueba.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página iv Abstract.
Nowadays the needs of ensure the quality of manufactured products is getting more importance. One way of ensure the quality is performing several test on products, this include electrical test on electronic products. The more quality you want, the more exhaustive must be the tests.
Throughout this document I deal with the functional test problem of a electronic circuit board, it involves a basic understanding of the internal working of such board, but a total understanding of input and outputs during work because comparison of output signals with respect of input signals will tell us whether the system is working properly as expected or fails the test.
The system will be based on a microcontroller because a embedded, basic and small system is intended, this implies a low-cost system solution as well.
This test solution expect to reduce the time required to perform electrical tests to a 10% of the original test time, this is because current tests are carried out by a trained operator that uses a system based on a personal computer and a graphic user interface software, however the proposed system will be totally automatic, this means without the participation of a operator during the time that lasts the test.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página v
LISTA DE ACRONIMOS
I2C Inter-Integrated Circuit – Protocolo de comunicación entre circuitos integrados.
ICT In-Circuit-Test – Prueba eléctrica a nivel placa.
PCB Printed Circuit Board - Tarjeta de circuito impreso UUT Unit Under Test – Unidad bajo prueba
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CAPITULO I 1. INTRODUCCION.
1.1 Planteamiento del Problema.
Los sistemas electrónicos son cada vez más complejos y la necesidad de asegurar la calidad de estos productos manufacturados es cada vez mayor. Una forma de ayudar a asegurar la calidad es realizar diversas pruebas a los productos fabricados, una de las pruebas más importantes es la prueba eléctrica. Entre mayor calidad se desee en este aspecto, más exhaustivas deberán ser las pruebas.
1.2 Hipótesis.
Debido a la naturaleza de las tarjetas electrónicas inmersas que se desean probar, no se considera necesario la utilización de un sistema de pruebas sofisticado, sino hacer pruebas funcionales de forma comparativa, es decir solo se pretende introducir algunas señales al PCB y medir las señales que este presenta a la salida, a si mismo, para saber el estado del PCB estas señales deben ser comparadas con las señales esperadas, que son las que una tarjeta exactamente igual presentaría.
Por lo tanto se propone que se emulen las señales de los abanicos y las de los sensores que tiene la placa, que en este caso son los termistores.
1.3 Objetivos.
Diseño y desarrollo de un sistema inmerso capaz de emular el comportamiento de un sistema de enfriamiento de aire forzado basado en abanicos, sensores e indicadores para la realización de un sistema de prueba eléctrica de la tarjeta de control (PCB) del sistema de enfriamiento.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 2
1.4 Justificación.
La reducción drástica en el tiempo de prueba de un sistema en un ambiente donde el tiempo es recurso valioso y un costo en el proceso de manufactura industrial, justifica el diseño y realización de un sistema de prueba automático, sobre todo si éste será barato en comparación con los sistemas típicos que se encuentran en el mercado, ya que este será un sistema hecho a la medida de las necesidades y no se tendrá que pagar por funciones avanzadas que rara vez se utilizan.
De manera concreta, la tesina aborda la propuesta de un sistema de prueba eléctrica de placas de control de abanicos que conforman un sistema de enfriamiento. Ello implica un conocimiento básico del funcionamiento interno de dichas tarjetas, pero un conocimiento total del comportamiento de las entradas y salidas durante su operación, ya que las señales eléctricas de salida con respecto a las entradas aplicadas por un sistema externo es lo que nos permitirá saber que el sistema bajo prueba está trabajando correctamente y si presenta algún defecto.
La tesina está organizada de la siguiente manera: en el presente capitulo se exponen los objetivos a cumplir en el desarrollo de este trabajo así como la justificación del mismo. El capitulo dos, trata de manera superficial algunas de las características y aparatos utilizados en las pruebas eléctricas. El capitulo 3 explica el funcionamiento básico del sistema que se pretende probar así como el sistema de prueba propuesto. En el capítulo 4 se explica de manera general la teoría sobre la que se basa el sistema de enfriamiento por abanicos y se detallan los dispositivos que lo conforman. El capitulo 5 se enfoca a la emulación de los componentes del sistema. El capitulo 6 lista las conclusiones obtenidas.
En el capítulo 7 aparece la bibliografía utilizada.
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CAPITULO II 2. MARCO TEORICO.
Asegurar la calidad de un sistema electrónico implica: 1) la verificación, ya sea de cada uno de los componentes y 2) del funcionamiento total del sistema según las especificaciones del diseñador. El diseñador ha realizado el diseño del sistema electrónico basado en las especificaciones definidas por el cliente que ha pedido tal sistema. En este capítulo se describe las formas manuales y automáticas de cómo se realizan la verificación de pruebas eléctricas y los dispositivos que los utilizan.
2.1 Sistemas Manuales.
Osciloscopio. Instrumento que permite visualizar señales de voltaje en dos dimensiones como una función del tiempo un ejemplo se puede ver en la fig. 1 que muestra un osciloscopio de la marca Tektronix. Su uso se extiende desde observar la forma de onda de una señal eléctrica hasta la amplitud, medición de frecuencia o tiempo entre dos eventos.
Osciloscopio de 4 canales y pantalla a colores de la serie
TPS2000 con
almacenamiento digital marca Tektronix[1]
.
Fig. 1
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 4 Generador de señales. Este instrumento al también se le suele llamar generador de funciones o generador de frecuencias es un instrumento capaz de genera señales electrónicas repetitivas o no repetitivas, algunos generadores son capases de generar ruido blanco o secuencias pseudo-aleatorias así como otras señales digitales, un ejemplo de generador de funciones se muestra en la fig. 2.
Multímetro. Este instrumento es utilizado para realizar distintas mediciones eléctricas y electrónicas, las mediciones más usuales consisten en voltaje, corriente y resistencia aunque algunos multímetros pueden tener otras funciones como el de medir capacitancia, inductancia, temperatura, prueba de diodos, prueba de transistores, frecuencia entre otras, la siguiente figura es el un ejemplo de multímetro de banco muy utilizado en laboratorios, la figura 3 es de un multímetro Fluke.
Analizador lógico. Este aparato se utiliza para visualizar únicamente señales digitales, es especialmente útil para analizar señales de comunicación seriales, aunque se puede usar Agilent HP 33210A es un generador de funciones, capaz de generar formas de onda sinodal, cuadrada, triangular, rampa, arbitraria, pulso y ruido en un rango que va desde 1.0 mHz a 10.0 MHz[2].
Fig. 2
Fluke 8808A es un multímetro digital con capacidad para medir Voltaje (AC y DC), Resistencia, Corriente (AC y DC), frecuencia, así como puerto para comunicación RS-232[3].
Fig. 3
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 5 para analizar cualquier salía y/o entrada en un sistema digital que pueden ser procesadores, microcontroladores, FPGA’s, etc. Un analizador manufacturado por Leaptronix es mostrado en la fig. 4.
Fuente de voltaje. La fuente de voltaje es necesaria para poder polarizar los circuitos a ser probados, la figura 5 muestra una fuente de voltaje típica que puede ser usada para este fin.
Analizador lógico modelo LA2025 manufacturado por Leaptronix, tiene capacidad de visualizar hasta 32 señales digitales[4].
Fig. 4.
Fuente de voltaje 0- 30V/0-5A, CSI3005XIII [5]. Fig. 5.
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2.2 Sistemas Automáticos.
Muchos sistemas de pruebas automáticas trabajan sobre una "plataforma abierta"
la cual permiten anexar módulos de software y hardware que complementan mejoran el sistema y lo hacen más flexible.
Las pruebas más usuales que se pueden encontrar son las siguientes:
In-circuit Test (ICT): Un componente faltante o de un valor equivocado, así como un corto circuito o abierto entre componentes puede dificultar un diagnostico el alguna de las fases subsecuentes.
Este tipo de pruebas es con frecuencia considerado innecesario a nivel de diseño, sin embargo puede reducir considerablemente los costos de reparación así como también eliminar defectos que no sería posible detectar utilizando solo la prueba funcional.
Prueba Funcional de Tarjetas: El módulo es sometido a una prueba funcional definido por las especificaciones de diseño. En este tipo de prueba es necesario simular la operación real de la tarjeta bajo prueba (UUT), debe ser polarizada, y se deben proveer a la tarjeta los estímulos necesarios para que ejecute la tarea requerida y entonces obtener automáticamente las mediciones y recolectar datos estadísticos.
Pruebas de Confiabilidad: Pruebas de vibración, margen de voltajes, pruebas Hi-pot.
Burn-in: El proceso de Burn-in involucra la operación de un producto por un largo periodo de tiempo inmerso en un ambiente con temperatura controlada[6]. Esta prueba puede incluir humedad controlada y prueba de márgenes de voltaje (Voltage margining).
La prueba de voltage margining [7] es una prueba tiene como propósito probar los componentes de un sistema llevándolo a los peores puntos de operación, es
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 7 decir a sus voltajes extremos también conocido como el peor caso, esto tiene como propósito identificar las debilidades de un diseño y con esto poder remplazar componentes para mejorar la fiabilidad (reliability) del sistema final. Los fabricantes de componentes comúnmente expresan estos márgenes en términos de porcentaje.
Por ejemplo un dispositivo lógico cuyo voltaje de alimentación sea 3.3v (dependiendo de la familia lógica y a veces del fabricante), podría llegar a funcionar adecuadamente a 3.465v (+5%) o incluso a 3.135(-5%), esto pues sería expresado en las hojas técnicas del fabricante como un voltaje de operación de +-5%.
El fabricante es capaz de asegurar el correcto funcionamiento del dispositivo dentro de este margen de voltaje después de haber hecho numerosas pruebas a su dispositivo.
Si el dispositivo es usado más allá de este margen, el fabricante no asegura el correcto funcionamiento del dispositivo, ya que este último puede errar su comportamiento, disminuir su vida útil e incluso ser destruido.
2.3 Emuladores.
Emular es la habilidad que tiene un sistema para comportarse como si fuese otro. Se dice entonces que el sistema "emula" o duplica el comportamiento de algún otro sistema deseado, un emulador pretende reproducir el comportamiento exacto de otro sistema principalmente con fines de reducción de costos, espacio o peso en sistemas electrónicos.
Teóricamente cualquier sistema puede ser emulado por otro sistema, pero en la práctica esto puede significar mucho trabajo, sobre todo cuando el comportamiento exacto del sistema a emular no cuenta con la documentación necesaria, en tal caso se requerirá deducir este comportamiento por medio de ingeniería inversa. El emulador puede ser diseñado para comportarse como el sistema emulado dentro de un rango de variables o un intervalo de condiciones, entonces es responsabilidad de diseñador el
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 8 documentar clara y explícitamente las condiciones en las que el sistema trabajara apropiadamente.
La figura 6 muestra de una manera gráfica el costo que implica cada etapa durante la manufactura del sistema, en una etapa temprana el costo es menor, pero si las fallas del sistema se detectan en una etapa posterior, el costo debido a la falla es mayor, estos costos son principalmente debidos a los materiales que se utilizan en el sistema, si se detecta la falla entonces se puede evitar tener que echar a perder estos materiales por causa del re trabajo. Por lo anterior es importante tener sistemas de pruebas eléctricas que permitan reducir o eliminar estos costos.
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5 Figura 6. Etapas en el Proceso de
Producción C
O S T O
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CAPITULO III 3. SISTEMA.
3.1 Descripción general del sistema.
El sistema que se utilizó para mostrar el sistema de pruebas eléctricas para el gabinete FT4110, que utilizan los aparatos de comunicaciones para su sistema de enfriamiento, tales aparatos como amplificadores, filtros, transmisores, receptores, etc.
El FT04110 es un gabinete de abanicos alimentado con 48VDC, él cual es un sistema de enfriamiento por medio de aire forzado que utiliza 8 abanicos y un control de temperatura inteligente retroalimentado por medio de dos termistores. El controlador monitorea la temperatura ambiente y regula la velocidad de los abanicos.
3.2 Descripción del Sistema de Prueba.
En primer término, se describe la condición actual del sistema eléctrico.
Se muestra un diagrama que indica la relación entre componentes en el sistema de
prueba del FT04110 (ver Figura 7), el componente principal la tarjeta de control
(referido como Unit Under Test), dos termistores, 3 indicadores luminosos (LEDS),
una fuente de alimentación de 48 volts, un interruptor (referido como selector de
fuente), 8 abanicos, y una PC (la cual se comunica con el sistema mediante el
protocolo I
2C).
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Por otro lado, refiriéndonos al flujo del proceso, la prueba funcional es una de las etapas finales del ensamble en este tipo de productos, el inconveniente en esta etapa es cuando el sistema bajo prueba (UUT) no se pasa satisfactoriamente la prueba, en este caso comúnmente es necesario desensamblar la mayoría o todas las partes del sistema dependiendo en que parte del sistema se encuentre la falla, significando esto un mayor gasto de tiempo en el re-trabajo y por lo tanto un derroche de dinero que no agrega ningún valor al producto final --conocido en el ámbito productivo-empresarial como costo de calidad. Además de los costos de re- trabajo, otra de las problemáticas es el tiempo de prueba.
3.3 Emulador de Prueba de Abanicos.
Este trabajo surge de la necesidad de conocer el estado en que se encuentra la tarjeta de control de un sistema de enfriamiento fabricado para Motorola: el modelo FT04110.
El objetivo del sistema propuesto, es lograr reducir las dos problemáticas mencionadas en el punto 3.2: costos por re-trabajo y reducción de tiempos de prueba.
Sistema para probar un PCB, se pueden notar los
componentes que interactúan con el PCB para realizar la prueba funcional.
Fig. 7
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 11 La propuesta principal es realizar una prueba previa a la tarjeta de control que es el componente del sistema que tiene la mayor tasa de falla, de este modo podemos evitar el ensamblar una tarjeta defectuosa en el sistema y darse cuenta hasta la etapa final. Lo anterior se podrá lograr al sustituir (emular) los dispositivos mecánicos con componentes electrónicos los cuales prácticamente no necesitan un tiempo de estabilización (comparado con el tiempo que toma a cualquier sistema mecánico).
Se pretenden emular todos los dispositivos externos a la tarjeta de control con excepción de la computadora que controla a todo el sistema mientras se encuentra bajo prueba. Como se muestra en la figura 8.
Aquí es donde se pretende utilizar un sistema inmerso para emular el comportamiento de los sensores (2 termistores), indicadores (3 LED’s), cargas (8 abanicos), el selector de fuente (un interruptor) y Fuente (fuente fija de 48 VCD).
Propuesta del sistema en donde los elementos dentro del área roja serán reemplazados por un sistema inmerso.
Fig. 8
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CAPITULO IV
4. PRINCIPIOS.
El gabinete de enfriamiento está constituido de la manera general de una unidad de control (el cual es el equipo bajo que prueba en este trabajo), que tiene como entrada principal los sensores de temperatura, y como actuadores los motores que impulsan los ventiladores del sistema, además de una interface de comunicación y control a través de comunicación I2C. En este capítulo se presentara algunos principios teóricos y operación de estos componentes del sistema, todo ello para comprender el funcionamiento del gabinete.
4.1 Fundamentos de la transferencia de calor.
Para comprender estos mecanismos es necesario entender dos cosas: la temperatura, y el flujo de calor. Por un lado la temperatura representa el grado de energía térmica disponible en una región dada, mientras que por otro lado el movimiento de un lado a otro de esta energía se representa por el flujo de calor.
A escala microscópica la energía térmica es directamente proporcional a la energía cinética en las moléculas (de algún material a cierta temperatura), esta energía puede ser energía cinética aleatoria de traslación, rotación o vibración. Esto significa que entre mayor sea la temperatura del material en una región determinada, mayor es la agitación de las moléculas que constituyentes. Obviamente es natural que encontremos regiones (probablemente dentro del mismo material) que presenten diferente temperatura y por lo tanto también tengamos distinta energía cinética disponible.
Es interesante mencionar la dirección que tiene la propagación del calor es siempre de una región con alto contenido de energía cinética a una región con bajo contenido de
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 13 energía cinética, dicho de otro modo: la temperatura viaja de una región con mayor temperatura a una de menor temperatura o de una región mas caliente a una región más fría.
Existen algunas propiedades que influyen directamente en la forma y rapidez con la que dos regiones intercambian calor, tales como:
Conductividad térmica
Calor especifico
Densidad
Viscosidad
4.2 Enfriamiento por aire.
Existen varias formas de disipar el calor en los sistemas electrónicos, pero la forma más efectiva es la de la convección forzada.
La convección forzada puede llevarse a cabo de dos maneras: absorbiendo aires desde el interior hasta el exterior de un gabinete (evacuación) o introduciendo aire frio desde el exterior hacia el interior del gabinete.
La ventaja de utilizar el tipo de evacuación es que la temperatura del abanico no se disipa dentro del gabinete como si sucede con el de tipo de presurización. Sin embargo, es mucho más sencillo utilizar filtros para el aire en el sistema de presurización que en el de evacuación.
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Fig. 9. Muestra dos posibles formas de introducir aire forzado a un sistema electrónico con el fin de enfriarlo.
4.3 Características eléctricas del Abanico.
Los abanicos utilizados en dicho sistema son de la línea de productos San Ace 120 manufacturados por la empresa Sanyo Denki cuyas características principales son: [8]
Alto desempeño. Consume relativamente poca energía comparado con otros abanicos que pudieran producir el mismo trabajo.
Poca vibración. Esta característica puede resultar útil en sistemas donde se desee que produzca muy poco ruido.
Baja fuga del flujo de aire. De ese modo es posible mejorar la entrada de aire al sistema que se desee enfriar.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 15 El abanico que se utiliza en el sistema tiene cuatro cables: dos para polarizarse, uno de control y otro para el sensor de revoluciones o tacómetro. En el extremo de conexión, se utiliza un conector tipo molex®.
En cuanto a los dos cables para polarización en donde uno es la terminal de referencia o tierra y el otro voltaje, se utilizan 48 volts para ser polarizado, sin embargo el control de velocidad se efectúa mediante una señal de PWM alimentada a la terminal de control. La figura 11. ilustra mejor lo antes mencionado.
Ejemplo de un abanico de CD de la marca San Ace modelo 120, este abanico tiene una salida de señal de un tacómetro integrado en el abanico y también una línea de entrada para pwm con el cual es posible controlar su velocidad[8]. Fig. 10
En la figura anterior, se muestra el abanico con sus terminales: positivo y negativo para polarización de 48VDC, la terminal de control y el sensor que es en realidad el tacómetro[8].
Fig. 11
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4.4 Sensor del tacómetro.
El sensor envía dos pulsos (Tach ouput) a la salida por cada revolución del abanico los cuales son utilizados para detectar la velocidad de los abanicos.
La salida del tacómetro es del tipo de colector abierto como se muestra en el siguiente diagrama.
Sus características eléctricas son las siguientes:
VCE = +60V max
IC = 10mA max [VOL = VCE(SAT) = 0.4V o menos]
Diagrama eléctrico
equivalente de la salida del tacómetro del abanico [8]. Fig. 12
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4.4.1 Formas de onda de salida del tacómetro.
Esta grafica indica el comportamiento durante un funcionamiento estable.
Lo que se está mostrando en el diagrama anterior es la forma de onda que entrega el sensor del tacómetro para una sola revolución, el voltaje VOH es el voltaje que se pone en el resistor de pull-up que puede ser de hasta 60 V como máximo pero que para este caso es de 5.1V lo que lo hace perfectamente compatible con las tecnologías digitales.
En el conector del Abanico al PCB tenemos la siguiente interface:
Forma de onda de la salida del tacómetro, se muestra también la relación que existe entre el número de revoluciones del motor del abanico y el tiempo en alto de la salida.
Fig. 13
Diagrama básico de la interfase de salida en el conector del abanico al PCB. En este caso el dibujo se refiere al abanico
#1, el cual da la señal de TACH1.
Fig. 14
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 18 El pin del tacómetro en este caso es el J2 , en donde se encuentran conectados dos resistores de 10K, uno que va de la salida del sensor al pin J2 (resistor RB) y otro que va conectado en configuración pull-up desde el pin J2 a un voltaje de +5.1V (resistor designado como RA).
En el siguiente diagrama se muestra la etapa que sigue a la interface entre la tarjeta y los tacómetros (uno por cada abanico).
Solamente se utiliza una entrada del microcontrolador para sensar la velocidad, pero como tenemos 8 abanicos lo que se utiliza es un multiplexor para seleccionar una señal proveniente del tacómetro de un abanico, esta señal esta designada como Tachx.
Circuito que comunica la señal del tacómetro de cada abanico a un pin del
microcontrolador mediante multiplexar la señal.
Fig. 15
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4.5 Control de velocidad.
El control de la velocidad del abanico se lleva a cabo por medio de una señal de PWM, de esta forma el control es más eficiente.
Entrada de control al abanico:
Fig. 16 Interface de entrada del motor
4.6 El Termistor.
Los termistores son semiconductores térmicamente sensibles cuya resistencia varia con la temperatura.
Su símbolo eléctrico es el siguiente:
Cada modelo de termistor tiene una resistencia nominal que varia con la temperatura en una forma aproximadamente lineal.
Los termistores pueden ser de coeficiente positivo (positive temperature coefficient - PTC) o de coeficiente negativo (negative temperature coefficient - NTC) [9]. En el caso de
Símbolo eléctrico de un termistor.
Fig. 17
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 20 los PTC la resistencia entre las terminales del termistor aumenta conforme la temperatura a la cual es sometido aumenta, mientras que en los de tipo NTC la resistencia que presenta el termistor disminuye conforme la temperatura aumenta.
La siguiente figura muestra el comportamiento de un termistor de coeficiente positivo PTC.
La curva de un PTC (fig. 18.a) se encuentra divida en tres partes, a temperaturas bajas no se muestra mayor cambio en la resistencia conforme cambia la temperatura (zona I), en la zona intermedia (zona II) se puede ver claramente una relación muy lineal entre el cambio ohmico con respecto al cambio de temperatura, esta es la zona en donde se utiliza este tipo de dispositivo, en la última zona el termistor ya no funciona como tal sino que conforme aumenta la temperatura su resistencia disminuye en una forma que no es lineal.
La curva de un NTC (fig. 18.b) muestra una resistencia y conforme la temperatura aumenta la resistencia disminuye en una forma más o menos lineal.
Curva caracteristica de un PTC.
Curva caracteristica de un NTC.
Fig. 18.a Grafica del comportamiento de un termistor PTC típico.
Fig. 18.b Grafica del comportamiento de un termistor NTC típico.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 21
4.6.1 Caracterización del termistor.
Habiendo descrito en este capítulo la teoría básica de flujo de calor y temperatura, el modo de operación de los abanicos y mencionada la funcionalidad de los elementos de sensado del sistema, es posible pasar al planteamiento de la solución de este estudio.
Circuito típico para medir la Resistencia de un termistor, esta es la forma mas simple de caracterizarlo.
Fig. 19
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CAPITULO V 5. RESULTADOS.
5.1 Secuencia de prueba actual.
En el sistema actual, el software le dice a unidad bajo prueba que envíe una señal a los LEDs, y luego un operador del proceso le indica al software (utilizando un teclado) que un LED se encuentra prendido o apagado, luego el software determina si debería o no estar encendido dicho LED y en consecuencia emite un mensaje de error y termina la prueba o continua con la prueba sin emitir mensaje alguno.
Enseguida se enumeran de manera muy general los pasos del proceso de prueba eléctrica.
1) Inspección de LED’s.
El software de prueba envía una señal para que encienda el FAN PWR (power), luego lo apaga y por ultimo pregunta si el LED default esta apagado.
2) Verifica la lectura de los dos termistores (a una temperatura ambiente de 20- 28 °C).
3) Verifica la velocidad estándar de los abanicos que es realmente a la velocidad que encienden los abanicos por default.
4) El software dice a la unidad bajo prueba que deje de enviar voltaje a los abanicos para que estos se detengan, luego verifica la señal de los tacómetros de cada uno de los abanicos, estos no deberían enviar ninguna señal porque los abanicos deberían detenerse en este punto.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 23 5) El software dice a la unidad bajo prueba que envié máximo voltaje a los abanicos para que estos alcancen la máxima velocidad, verifica la señal de los tacómetros de cada uno de los abanicos.
6) El software dice a la unidad bajo prueba que envié el voltaje por default que corresponde al mismo ancho de pulso que en el paso número 3. En este paso también verifica que la frecuencia de salida del tacómetro de cada uno de los abanicos corresponda con la frecuencia que se esperaría para la velocidad estándar.
Fig. 20 : Diagrama de proceso prueba.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 24 5.2 Sistema de prueba propuesto.
En la imagen podemos ver un diagrama básico del embedded system que se está proponiendo para llevar a cabo el sistema de emulación.
Se puede observar que el microcontrolador está simulando a cada uno de los abanicos, también se utilizara el microcontrolador para controlar los dispositivos (resistencias variables controladas digitalmente) que simularan ser los termistores.
Fig. 21 : Diagrama de emulador.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 25 Como se puede ver en el diagrama anterior, con este sistema propuesto se puede eliminar la necesidad de tener a un operador que continuamente este diciendo al programa si se encendió se apago un LED ya que el mismo microcontrolador que se utilizara para simular la operación de los abanicos y la de los termistores puede sensar si existe el voltaje correspondiente para que un LED este encendido o este apagado y, con esto el sistema podrá saber automáticamente si un LED estaría encendido o apagado.
5.3 Simulación de dispositivos.
El siguiente diagrama muestra con más detalle como el microcontrolador simula un abanico y un termistor.
Fig. 22 : Diagrama de dispositivos emulados.
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 26
5.3.1 Simulación de Abanicos.
Los abanicos se conectan a la unidad bajo prueba mediante cuatro cables, dos de ellos llevan el volteje de alimentación (GND y V+), se utiliza uno para obtener la frecuencia del tacómetro del abanico que es la que nos informa a que velocidad esta girando el abanico, y uno más que es la línea de control de velocidad del abanico que es en realidad un PWM.
El microcontrolador entonces lo que deberá hacer es primero detectar el PWM y luego generar una onda cuadrada con la frecuencia que se esperaría obtener de un abanico que se esta alimentando con tal ciclo de trabajo, es decir la unidad bajo prueba envía la señal de PWM que se requiere según el proceso de prueba y luego leerá una señal de tacómetro que el microcontrolador genera, de esta manera el microcontrolador estará imitando o “simulando” el abanico que se esperaría.
5.3.2 Simulación de Termistores.
Los termistores se simularan con dos potenciómetros controlados digitalmente. Se puede utilizar el dispositivo mostrado a continuación el cual es de la marca MAXIM[10], este es un potenciómetro controlado digitalmente que bien se puede utilizar para simular los termistores. Este dispositivo es controlado mediante el protocolo I2C.
Fig. 23. Dispositivo que emula al termistor
Especialidad en Sistemas Inmersos Página 27 La resistencia que mostrarán estos “termistores” dependerá de los parámetros que se esperan durante la prueba de la tarjeta, estos se pueden cambiar fácilmente en caso de que se cambie la revisión del programa de prueba o de la tarjeta misma.
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CAPITULO VI
6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.
Se lograron emular los dispositivos necesarios para llevar a cabo la prueba funcional de la tarjeta de control, el tiempo de prueba para llevar a cabo la prueba resultaría ser de una fracción del tiempo que se tardaría la misma prueba con abanicos y termistores reales ya que los componentes electrónicos no presentan inercia como en el caso de los motores del abanico ni requieren un tiempo de calentamiento como los termistores reales.
El sistema propuesto resulta ser mucho más barato que un sistema comercial para realizar pruebas similares.
Este sistema está diseñado para utilizar componentes comerciales de manera que si se desea duplicar el sistema sea sencillo y barato, lo mismo sucede si se llegara a dañar alguno de los componentes.
Trabajos Futuros
El sistema no provee una interface para comunicar avisos de errores por lo cual es recomendable que se mejore el sistema utilizando una de estas interfaces.
También se propone que se dote con algún interruptor que detenga la prueba en cualquier momento deseado por seguridad, ya que si el sistema presenta algún error que comprometa la seguridad del usuario no hay modo de detener la prueba.
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CAPITULO VII 7. BIBLIOGRAFIA.
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