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Diseño de una plataforma de hardware para aplicaciones industriales embebidas basada en microcontroladores

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño de una plataforma de hardware para aplicaciones industriales embebidas basada en microcontroladores.. Autor: Danay Hernández López Tutor: Ing. Reibel Torres Morales. Santa Clara 2013 “Año 55 de la Revolución " i.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño de una plataforma de hardware para aplicaciones industriales embebidas basada en microcontroladores. Autor: Danay Hernández López Tutor: Ing. Reibel Torres Morales Empresa de Automatización Integral CEDAI Villa Clara Consultante: Dr.C René González Rodríguez Empresa de Automatización Integral CEDAI Villa Clara e-mail: voltus@cedai.com.cu. Santa Clara 2013 “Año 55 de la Revolución " ii.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica. iii.

(4) “Si avanzo, seguidme; si me detengo, empujadme; si me retrocedo, matadme.” iv.

(5) DEDICATORIA. A mis padres por ser la fuente de mi vida. A mis abuelos por entregarme su amor y confiar en mí. A mis hermanos por ser mi inspiración y mi fuerza día a día. A toda mi familia por ayudarme y apoyarme en todo momento. A mi novio por estar a mi lado y darme todo su cariño. A mi tutor por darme la oportunidad de ser su aprendiz. A mis compañeros inseparables de tantos años de estudio.. v.

(6) AGRADECIMIENTOS. A mis padres Julia y Pablo por ser luz en la oscuridad y paz en la tempestad de la noche, por ser mis ejemplos, por darme las mayores alegrías que he tenido en la vida; y a sus parejas, Diany y Jesús, porque también han brindado su granito de arena. A mis hermanos Reyna del Pilar, Karla Beatriz, Roger y Jesús Alejandro porque son la fuerza que me impulsa cuando el agotamiento y el cansancio han perturbado mi camino. A la mujercita que me ha servido de guía toda la vida y sin darse cuenta me ha forjado como la persona que soy, por trazarme el camino hasta hoy, por ser mi talón de Aquiles, por estar ahí sirviendo de espejo para mí, muchas gracias por ser mi amiga y mi hermana, Yulie. A mis abuelos Caridad y Gastor con quienes quisiera estar siempre, gracias por su amor y su apoyo incondicional. A mis abuelos Pilar y Rigoberto que donde quiera que estén sé que me están apoyando. A mis tíos Celestina, Milagro, Mileidy, Fidel, Alex y Oreste por estar ahí siempre que los he necesitado. A Leosmel Conde López por ser transparente para mí y por sus consejos. A Léster Gómez Palmero y a su familia por abrirme las puertas de su vida y brindarme todo su apoyo y cariño. A mis insuperables amigas y hermanitas del alma Leynis Marrero y Dayanny Gallardo, que en diferentes momentos de mi vida me han brindado su hombro, han secado mis lágrimas en situaciones difíciles y han compartido los mejores momentos de mi vida. Agradezco a mi tutor y amigo Reibel Torres Morales por darme la oportunidad de realizar este trabajo tan importante bajo su tutoría, por sus consejos y ayuda en mi formación profesional. A Reynier Figueredo Cervantes por todo el apoyo que me brindó en su momento. vi.

(7) A todos los profesores de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y del CRAI, en especial a René González y a Yilsi por aportar su granito de arena en este trabajo. A Reyna María por toda la ayuda que me dio en los momentos más difíciles, por creer siempre en mí. A mis compañeros de guerra en estos cinco años de universidad con los que he compartido grandes emociones, en especial a Daineris, Iraida, Yalina, Dayana M., Yeilanis, Tania, Eliber, Rafael Grey, Adamou Isaka Kodo, Asiel, Mario, Alfredo, Humberto, Ariam, Orlando, Yoandy, Yurelby, Osmel, Nelson. En especial quisiera agradecerles a todos los profesores que durante estos 18 años de estudio han contribuido a mi formación profesional y revolucionaria. A nuestra Revolución, en especial al Comandante en Jefe Fidel Castro Ruz por permitirme estudiar en aulas revolucionarias, por esparcir su temple en mi personalidad y ser siempre un ejemplo de resignación y valores en mi vida. Les agradezco a todas las personas que han tenido que ver conmigo durante tantos años de dura lucha y batalla por lograr esta meta y que tal vez no he mencionado, a ellos les estoy…. Eternamente agradecida.. vii.

(8) TAREA TÉCNICA Para dar cumplimiento al objetivo e interrogantes de la presente investigación se plantea la siguiente tarea técnica:. 1. Análisis del estado del arte sobre sistemas empotrados. 2. Estudio de la tesis de grado “Diseño de sistema empotrado para la optimización de máquinas enfriadoras en sistemas de clima centralizado”. 3. Estudio de normas y criterios de diseño de circuitos impresos. 4. Diseño del circuito esquemático de los módulos de la tarjeta. 5. Diseño de la tarjeta de circuito impreso (PCB). 6. Redacción del informe final.. ______________________. _____________________. Firma del Autor. Firma del Tutor. viii.

(9) RESUMEN. La presente investigación tiene como objetivo diseñar una plataforma de hardware que permita la implementación de soluciones industriales embebidas. El diseño está basado en el empleo de microcontroladores como unidad central de procesamiento, para el control de dispositivos industriales a través de diferentes módulos de entrada/salida y de comunicación. Se propone el uso del software profesional OrCAD para el diseño de los circuitos esquemáticos y del circuito impreso (PCB). Para el desarrollo de la tarjeta fue necesario tener en cuenta una serie de requerimientos técnicos para la manufactura, planteados por el Instituto Central de Investigaciones Digitales (ICID), con el objetivo de realizar un producto compatible con las máquinas CAM350 para la impresión seriada a nivel industrial. Los diseños fueron realizados mediante el uso de las hojas de datos de cada uno de los componentes utilizados. Finalmente se obtuvo un diseño factible que explota las características de sistemas empotrados, ofreciendo una alta capacidad de cómputo, debido al procesamiento de datos en paralelo y la posibilidad de contar con un sistema en tiempo real.. ix.

(10) TABLA DE CONTENIDOS. DEDICATORIA ..................................................................................................................... v AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................vi TAREA TÉCNICA ............................................................................................................. viii RESUMEN ............................................................................................................................ix TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................. x INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 2 CAPÍTULO 1. 1.1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS. ....................... 4. Introducción a los Sistemas Empotrados. ................................................................ 4. 1.1.1. Generalidades de los Sistemas Embebidos. ...................................................... 5. 1.2. Ejemplos de Sistemas Operativos Embebidos. ........................................................ 6. 1.3. Sistemas embebidos implementados sobre dispositivos FPGA. .............................. 7. 1.3.1. Osciloscopio digital basado en FPGA con conexión Ethernet e interfaz. virtual, ejemplo de aplicación. ........................................................................................ 8 1.4. Sistema embebido sobre PC empotradas. ................................................................ 9. 1.4.1 1.5. Sistemas basados en procesadores digitales de señales. ........................................ 12. 1.5.1 1.6. Sistema Supervisorio Chiller sobre MBTI2440.............................................. 11. Implementacion de un receptor BPSK de uso espacial utilizando un DSP. ... 13. Sistemas embebidos basados en microcontroladores. ............................................ 15. 1.6.1. Codificador de señales para Cohetería, basado en microcontroladores. ......... 15. CAPÍTULO 2.. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO. IMPRESO.. 18 x.

(11) 2.1. Propuesta de la tarjeta de circuito impreso. ........................................................... 18. 2.1.1. Dispositivo programable empleado en el diseño. ........................................... 19. 2.2. Fuente de alimentación. ......................................................................................... 20. 2.3. Comunicación RS-232, Capa física. ...................................................................... 22. 2.3.1 2.4. Método físico de transmisión RS-232. ........................................................... 23. Comunicación RS- 485. Capa física. ..................................................................... 24. 2.4.1. Bus a 2 hilos RS485. ....................................................................................... 25. 2.4.2. Método físico de transmisión. ......................................................................... 25. 2.5. Comunicación Ethernet 10BaseT. .......................................................................... 26. 2.5.1 2.6. Bus de Comunicación Universal (USB). Capa física. ............................................ 28. 2.6.1 2.7. Especificaciones del sistema de reloj.............................................................. 30. Procesamiento de señales analógicas. .................................................................... 31. 2.8.1 2.9. Breve descripción del proceso de transmisión USB. ...................................... 29. Reloj de tiempo real. .............................................................................................. 30. 2.7.1 2.8. Capa física....................................................................................................... 26. Conversor analógico – digital Sigma – Delta. ................................................ 33. Requerimientos del diseño para la manufactura. ................................................... 34. 2.9.1. Segmentación de circuitos. ............................................................................. 35. 2.9.2. Trazado de sistema de tierra. .......................................................................... 37. 2.9.3. Trazado de sistema de voltajes. ...................................................................... 38. 2.9.4. Trazado de los conductores de entrada/salida................................................. 38. 2.9.5. Conductores de señales digitales. ................................................................... 39. 2.9.6. Conductores de señales analógicas. ................................................................ 40. xi.

(12) 2.9.7 2.10. Lineamientos generales técnicos para las placas de circuito impreso. ........... 40 Software para la simulación. .............................................................................. 42. 2.10.1. OrCAD ............................................................................................................ 42. 2.10.2. Requerimientos de entrega de la documentación para la fabricación de. circuitos impresos. ........................................................................................................ 43 CAPÍTULO 3. 3.1. DISEÑO DEL HARDWARE.................................................................. 45. Diseño de la tarjeta de circuito impreso. ................................................................ 45. 3.1.1. Fuente de alimentación. .................................................................................. 48. 3.1.2. Unidad Central de Proceso, basada en microcontroladores dsPIC30F4013. .. 50. 3.1.3. Módulo RS-232............................................................................................... 52. 3.1.4. Módulo RS-485............................................................................................... 52. 3.1.5. Módulo Ethernet. ............................................................................................ 53. 3.1.6. Módulo de comunicación USB. ...................................................................... 55. 3.1.7. Entradas digitales. ........................................................................................... 56. 3.1.8. Entradas analógicas......................................................................................... 57. 3.1.9. Salidas digitales. ............................................................................................. 58. 3.2. Análisis económico. ............................................................................................... 59. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 60 Conclusiones ..................................................................................................................... 60 Recomendaciones ............................................................................................................. 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... I ANEXOS .............................................................................................................................. III Anexo I. Relación de ancho de conductores y corriente circulante. ................................. III AnexoII. Entradas Digitales. ............................................................................................ IV xii.

(13) Anexo III. Entradas analógicas. ......................................................................................... V Anexo IV. Salidas Digitales............................................................................................. VI. xiii.

(14) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Los sistemas embebidos constituyen un área prometedora en el campo de la electrónica moderna. El crecimiento de estos en los últimos años ha ocasionado que sean más populares y más complejos. Se puede encontrar una gran diversidad de sistemas empotrados en las más diversas soluciones electrónicas que el hombre ha inventado desde la segunda mitad del siglo pasado. Condicionado por la necesidad de sistemas electrónicos que operen en condiciones de tiempo real, que interactúen repetidamente con su entorno físico, respondan a los estímulos que recibe del mismo dentro de un plazo de tiempo determinado y que el tiempo de respuesta a determinadas acciones sea significativo (Hernández, 2007). El estudio de esta nueva tendencia en los sistemas computacionales abre paso a un nuevo campo de investigación donde las limitaciones de cómputo, espacio y energía son tópicos de gran importancia. Todo lo expuesto anteriormente permite plantear el siguiente problema de investigación: ¿Qué plataforma de hardware puede ser diseñada como solución para aplicaciones industriales embebidas y ser producida de manera seriada?. Para dar cumplimiento a esta situación problémica se trazó como objetivo general:  Realizar un diseño de hardware para aplicaciones industriales basado en microcontroladores para ser fabricado de manera seriada a nivel industrial.. 1.

(15) INTRODUCCIÓN. Como tareas técnicas para dar cumplimiento al objetivo general se ha planteado:  Realizar un estudio de las diferentes tecnologías de hardware empleadas en sistemas empotrados.  Estudio de normas y criterios de diseño de circuitos impresos.  Diseño del diagrama circuital.  Diseño de la placa de circuito impreso (PCB).. En el desarrollo de la investigación ha sido posible la revisión de bibliografía actualizada debido a la diversidad del tema y el amplio campo de aplicaciones que ofrecen conocimiento sobre el tema. Se hizo necesaria la búsqueda en publicaciones internacionales, congresos sobre sistemas empotrados que se realizan anualmente, hojas de datos de los principales fabricantes de dispositivos, tales como Microchip, National Semiconductor, Analog Device. Además se consultaron manuales de productores de software para el diseño de los circuitos. Como contribución del presente trabajo, se propone diseñar una plataforma de hardware que en un futuro podrá ser empleado para implementar diferentes aplicaciones de control, monitoreo, señalización y adquisición de datos en pequeñas industrias y soluciones electrónicas embebidas, con posibilidades de comunicación, interfaces de entradas/salidas digitales y unidad de procesamiento reprogramable que permite la personalización de cada aplicación según las necesidades del sistema.. Organización del informe La investigación está segmentada en tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos con la siguiente estructura: Capítulo1: Introducción a los Sistemas Embebidos. En este capítulo se hace un estudio de las diferentes tecnologías de hardware para soluciones embebidas. 2.

(16) INTRODUCCIÓN. Capítulo 2: Propuesta de diseño de la tarjeta de circuito impreso. En esta sección se presenta la arquitectura de hardware a emplear, mediante el análisis de los módulos necesarios para el diseño de una tarjeta de aplicación industrial, se escoge el dispositivo programable, se presentan las normas a cumplir para un diseño manufacturado y el software para la realización del diseño. Capítulo 3: Diseño del hardware. Aquí se muestran todos los módulos que componen la estructura de hardware propuesta y se exponen las características de cada uno de ellos.. 3.

(17) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 4. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 1.1 Introducción a los Sistemas Empotrados. El crecimiento de los sistemas embebidos en los últimos años ha ocasionado que estos sean más populares y más complejos. Se puede encontrar una gran diversidad de sistemas empotrados en las más diversas soluciones electrónicas que el hombre ha inventado desde la segunda mitad del siglo pasado. Áreas como la industria automovilística, aeronáutica, sistemas de comunicaciones, control de vehículos autónomos, control de procesos industriales, aplicaciones biomédicas y mecatrónicas, telefonía celular, cámaras digitales, video juegos portátiles, industria de juguetes electrónicos, calculadoras científicas, electrodomésticos, impresoras, scanner, cajas registradoras, sistemas de alarmas, cajeros automáticos, entre otras ejemplifican el amplio espectro de aplicaciones concebidas como sistemas empotrados. Algunos autores conceptualizan los sistemas empotrados como: Un sistema embebido o sistema empotrado se define como un sistema electrónico diseñado específicamente para realizar determinadas funciones, habitualmente formando parte de un sistema de mayor entidad. (Úbeda, 2009). Un sistema embebido o integrado es un sistema computarizado especializado que es parte de un dispositivo o máquina mayor, que cumple funciones de monitoreo o control. (Herrera, 2009). Un sistema embebido es un subsistema electrónico de procesamiento, programado para realizar una o pocas funciones para cumplir con un objetivo específico.. 4.

(18) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 5. Generalmente es parte integral de un sistema heterogéneo mayor, que puede incluir partes mecánicas, eléctricas y/o electromecánicas. (Dmitruk, 2007). Se define como sistema embebido a la combinación de hardware y software (HD+SW) con limitaciones computacionales y programa de propósito específico, el cual reacciona continuamente a los cambios ocurridos en el medio circundante o sistema en el que se desarrolla, ajustándose a las necesidades de la aplicación en cuestión. Puede estar compuesto por uno o varios elementos de cómputo como Arreglo de Puertas Programables por Campo (FPGA), Microcontrolador, Microprocesador, Procesador Digital de Señales (DSP), además de módulos de comunicación, reloj de tiempo real, moduladores de ancho de pulso, módulos para visualización (display ), memoria interna y/o externa entre otros, cuyo fin es implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas entre otras funciones, para controlar a través de entradas/salidas digitales o analógicas las variables e interactuar con el medio, gobernado por un sistema de software pequeño desarrollado específicamente para un sistema embebido en particular. Este software específico suele llamarse firmware o sistema operativo embebido. 1.1.1 Generalidades de los Sistemas Embebidos. Por lo general los sistemas empotrados o embebidos son sistemas de tiempo real, interaccionan repetidamente con su entorno físico, responden a los estímulos que recibe del mismo dentro de un plazo de tiempo determinado. El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistema es significativo, para que el funcionamiento sea correcto no basta con que las acciones sean las debidas, sino que tienen que ejecutarse dentro del intervalo de tiempo especificado. Estos sistemas no son de propósito general, tienen recursos de hardware limitado y software específico para ese dispositivo. Requieren entornos de ejecución a la medida de los requisitos de la aplicación y del hardware a emplear. Son sistemas concurrentes donde las diferentes tareas se realizan simultáneamente y se reacciona instantáneamente a cambios en su alrededor, también se usa procesamiento. 5.

(19) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 6. paralelo, es decir, el sistema puede tener multiprocesadores, o técnicas de multiproceso para sistemas operativos en tiempo real. Un gran número de aplicaciones sobre sistemas empotrados son portátiles y su alimentación es con baterías o pilas, por lo que la optimización del menor peso posible se considera un elemento de gran importancia así como el consumo de energía de los mismos. Favorecido este criterio con la aparición de tecnologías electrónicas de menor consumo, menor espacio, materiales más ligeros y compactos para la fabricación de baterías y pilas recargables. Por lo tanto se necesita de Sistemas Operativos ajustados a estos requerimientos. 1.2 Ejemplos de Sistemas Operativos Embebidos. Los Sistemas Operativos Embebidos (SOE) suelen ser sistemas operativos ya establecidos como Linux y Windows, con la característica de ser muy ligeros, o pueden ser sistemas operativos específicos para determinadas aplicaciones. También se denomina firmware a programas más sencillos que dominan al sistema, mientras otros prescinden de un sistema operativo y todas las tareas se ejecutan a nivel de electrónica. Linux Embebido, es un Linux típico en el que se han removido programas de utilidad, herramientas, y otros servicios del sistema que no son necesarios en un ambiente embebido. Windows CE fue introducido en un conjunto de productos en el año 1996, pero posteriormente se transformó en un sistema operativo embebido configurable. Entre sus ventajas se encuentran la inclusión de un subconjunto del API Win32 enfocado a los servicios que comúnmente se necesitan, así como una optimización en el consumo de energía (Wang, 2005). Android, es un sistema operativo móvil basado en Linux, fue lanzado en 2007 como sistema abierto y su estructura se compone de aplicaciones que se ejecutan en un framework Java de aplicaciones orientadas a objetos sobre el núcleo de bibliotecas con compilación en tiempo de ejecución. Las bibliotecas escritas en lenguaje C incluyen un administrador de interfaz gráfica (surface manager), un framework OpenCore, una base de. 6.

(20) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 7. datos relacional SQLite, una API gráfica OpenGLES 2.0 3D, un motor de renderizado WebKit, un motor gráfico SGL, SSL y una biblioteca estándar de C. 1.3 Sistemas embebidos implementados sobre dispositivos FPGA. Los FPGA son circuitos integrados con bloques de lógica e interconexiones configurables. Dicha capacidad de configuración lo hace muy versátil, limitado por el nivel de integración, número de entradas/salidas, frecuencia máxima de reloj, aunque permiten la ejecución desde una simple función a complejos sistemas de procesamiento de señales. La competitividad de los productos desarrollados en el diseño electrónico puede ser tan buena como sea la incorporación de tecnologías avanzadas, el diseño en tecnología FPGA da la libertad al diseñador sobre la arquitectura, si se necesitan más recursos se puede migrar directamente a dispositivos más grandes sin modificar el diseño (portabilidad absoluta). De las características más atractivas de estos circuitos es el paralelismo, que es la capacidad de ejecutar varios procesos de manera concurrente, similar al multiprocesamiento; su configurabilidad posibilita un diseño de PCB (Printed Circuit Board) a la par de la descripción de la aplicación (Ana, 2010). El propio avance de la microelectrónica ha posibilitado que los recursos disponibles en los FPGAs actuales, que incluyen bloques de memoria, multiplicadores, diferentes tipos de interfaces y hasta procesadores de 32 bits, sean suficientes para contener todo un sistema digital complejo, con ventajas significativas en la reducción del tiempo de desarrollo del producto y del costo de implementación del mismo. Mediante esta tecnología es posible desarrollar sistemas electrónicos autoreconfigurables que permitan realizar diferentes actividades en función de diferentes condiciones de operación y además, es factible por el incremento de la velocidad de respuesta de la solución, puesto que se reducen tanto el área como el consumo de potencia del sistema, características imprescindibles en múltiples aplicaciones como en sistemas autónomos y en la robótica.. 7.

(21) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 8. 1.3.1 Osciloscopio digital basado en FPGA con conexión Ethernet e interfaz virtual, ejemplo de aplicación. En esta aplicación se describe el diseño y desarrollo de un osciloscopio digital basado en FPGA con conexión Ethernet, con funciones de visualización y control a través de una computadora personal. El osciloscopio está constituido por un canal de entrada con ancho de banda de 300 KHz, una etapa analógica acondicionadora de señal, una etapa de conversión analógico digital, una unidad de control y transmisión, la cual es un sistema en un chip basado la FPGA Xilinx Spartan-3E XC3S500E4CFG320, y una memoria de almacenamiento. En el FPGA se implementa un sistema en un chip basado en el softwareprocesador MicroBlaze, el cual es provisto por el fabricante del FPGA. MicroBlaze es un microprocesador de 32 bits parametrizable que cuenta con una gran variedad de periféricos que ejecutan funciones específicas. Las muestras tomadas de la señal de interés son enviadas mediante protocolo TCP-UDP/IP sobre Ethernet a una computadora para su visualización. Un instrumento virtual desarrollado en LabView permite una interacción amigable e intuitiva con el usuario ya que recrea una interface similar a la de un osciloscopio real. Se pueden realizar distintos tipos de análisis sobre las señales adquiridas así como controlar y configurar las variables de funcionamiento del osciloscopio (nivel de disparo, modo de disparo, etc.) (Flaviani, 2012).. Figura 1.1. Diagrama del Osciloscopio Digital basado en FPGA. 8.

(22) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 9. Características del Hardware: Memoria DDR SDRAM de 64 MByte (512 Mbit). Memoria Flash NOR de 16 MByte (128 Mbit). Puerto Ethernet de 10/100 Mbps. Puerto serie RS-232, para depuración del sistema. Oscilador de 50 MHz. Conversor analógico digital y amplificador programable. Puerto USB para grabación del firmware en la FPGA. Conectores de expansión de propósito general. 1.4 Sistema embebido sobre PC empotradas. Las opciones de diseño para un sistema embebido cada vez son mayores debido al creciente avance tecnológico en el sector de la electrónica y microelectrónica. Estos sistemas pueden incorporar dentro de un determinado host a todo un módulo tipo PC en formato compacto SBC (Single Board Computer) dentro de determinadas aplicaciones que necesitan de una mayor complejidad. Existen en el mercado una amplia oferta de SBC basados en la familia de procesadores de Intel como i386, i486, Pentium, los cuales poseen una arquitectura que se describe a como: Microprocesador: Encargado de realizar las operaciones de cálculo principales del sistema. Ejecuta código para realizar una determinada tarea y dirige el funcionamiento de los demás elementos que le rodean. Memoria RAM: Almacena el código de los programas que el sistema puede ejecutar así como los datos, por lo que debe tener un acceso de lectura y escritura lo más rápido posible. Memoria Caché: Más rápida que la principal en la que se almacenan los datos y el código accedido últimamente. Memoria No volátil: Habitualmente conocida como disco duro donde la información no es volátil, debido a la robustez que requiere un sistema embebido existen varias. 9.

(23) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 10. soluciones de esta clase (DiskOnChip, Compact Flash, IDE Flash Drive, etc.) con capacidades suficientes para la mayoría de sistemas embebidos (hasta más de 20 GB). BIOS-ROM: Sistema básico de entrada y salida (Basic Input & Output System) necesario para inicializar el ordenador y para poner en comunicación los distintos elementos de la placa madre. CMOS-RAM: Es un chip de memoria de lectura y escritura alimentado con una pila donde se almacena el tipo y ubicación de los dispositivos conectados a la placa madre. Además contiene un reloj en permanente funcionamiento que ofrece al sistema la fecha y la hora. Chip Set: Es un chip que se encarga de controlar las interrupciones dirigidas al microprocesador, el acceso directo a memoria, entre otras. Entradas al sistema: pueden existir puertos para mouse, teclado, vídeo en formato digital, comunicaciones serie o paralelo, etc. Salidas del sistema: puertos de vídeo para monitor, pantallas de cristal líquido, altavoces, comunicaciones serie o paralelo, etc. Ranuras de expansión para tarjetas de tareas específicas que pueden no venir incorporadas en la placa madre, como pueden ser más puertos de comunicaciones, acceso a red de ordenadores vía LAN (Local Area Network). En el mercado existen variedades de estándares de PC embebidas dentro de los cuales se encuentran el estándar PC-104(figura 1.3), micro ATX, mini ITX, pico ITX, etc.. Figura 1.3. PC embebido bajo formato estándar PC-104. 10.

(24) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 11. 1.4.1 Sistema Supervisorio Chiller sobre MBTI2440. El Sistema Supervisorio Chiller sobre MBTI2440, consiste en un sistema de supervisión web que corre sobre un Linux empotrado, este supervisor controla las máquinas chiller (máquinas de enfriar agua en sistemas de clima centralizado) donde se enfría el agua que se bombea a través de un circuito hidráulico cerrado hacia toda la instalación hotelera. El agua de salida de las unidades enfriadoras es bombeada por la red hidráulica hasta llegar a las unidades manejadoras de aire, lugar donde se enfría un flujo de aire que crea un ventilador/extractor de la manejadora haciéndolo pasar por una red de tuberías por las que circula el agua fría y donde físicamente ocurre el intercambio de energía, obteniendo como resultado, aire frío y con baja humedad que se hace circular por la(s) habitación(es) o recinto(s) de la instalación y agua que retorna a los chiller para ser nuevamente enfriada. La computadora embebida MBTI2440 es una en una tarjeta basada en el procesador S3C2440A de SAMSUNG, desarrollada en Cuba en el Instituto Central de Investigaciones Digitales (ICID) con el objetivo de obtener una tarjeta de procesamiento de bajo costo, pequeño tamaño, bajo consumo de potencia, gran variedad de dispositivos de interfaz y elevada conectividad y capacidad de procesamiento, sobre la cual se pueden instalar los sistemas operativos LINUX y Windows CE (ICID, 2005).. Figura 1.4. PC empotrada MBTI2440.. 11.

(25) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 12. Características de la MBTI2440:  Alimentación: 5V- 400 mA (máximo).  Velocidad del procesador: hasta 400MHz.  Velocidad del Bus: Hasta 133MHz.  Memoria: 1. SDRAM 32, 64, 128, 256 Mbyte. 2. NOR FLASH: 1Mbyte. 3. NAND FLASH: 64 Mbyte.  Interfaz para LCD (STN o TFT) resolución hasta 1024 x 768 con 24 bpp.  Interfaz para pantalla táctil (touch screen) de 4 hilos.  Interfaz Ethernet 10 Mbit/s (incluye los LEDs de link y LAN).  Puertos serie (niveles TTL).  1 puerto USB device.  4 puertos USB host.  Reloj de tiempo real con respaldo de batería.  Puertos SPI.  1 puerto IIC.  Hasta 94 líneas de entrada/salida digital (11 sin comprometer otras funciones, 83 con otra función primaria)..  4 entradas analógicas a un conversor A/D de 10 bits. 1.5. Sistemas basados en procesadores digitales de señales.. Un procesador digital de señales (DSP) está basado en un procesador o microprocesador que posee un set de instrucciones y operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto, es especialmente útil para el procesamiento de señales en tiempo real. Los sistemas basados en DSP son muy utilizados en áreas como la medicina (tomografía, ecografía, electrocardiograma, electroencefalograma, diagnóstico asistido y visión artificial), en la telemetría con el monitoreo satelital de recursos, prospección petrolera/minera/submarina, radares de apertura sintética, arreglos de antenas, detección de blancos móviles, en el control de motores se aplica en la robótica, sistemas de transporte, sistemas de impresión, control de cabezales en sistemas de almacenamiento masivo de datos (discos rígidos, DVD, 12.

(26) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 13. etc.), en el control de procesos, en análisis de vibraciones para la detección preventiva de fallas por análisis del espectro de vibraciones. 1.5.1 Implementacion de un receptor BPSK de uso espacial utilizando un DSP. Los Sistemas Satelitales de Recolección de Datos Ambientales, es un sistema en el que se recolectan mensajes transmitidos desde plataformas autónomas denominadas DCP (Data Collection Platforms) fijas o móviles, cercanas a la superficie terrestre o sobre ella. La señal recibida en el satélite es procesada en vuelo a partir de las muestras en frecuencia intermedia, utilizando un DSP. El sistema está concebido para recibir en promedio, dos mensajes por día de hasta 200 plataformas distribuidas sobre determinada superficie territorial, aunque puede utilizarse para recibir a una DCP ubicada en cualquier parte del planeta. A escala global, conviven sistemas similares como ARGOS DCLS (ARGOS Data Collection and Location System). El pre-procesamiento de los mensajes se realiza en vuelo, lo que permite el acceso a plataformas alejadas del territorio seleccionado, aun cuando el satélite no esté a la vista de la estación terrena. La etapa de radiofrecuencia recibe la señal captada por la antena del sistema, que apunta a la superficie terrestre, la filtra, la amplifica, y la traslada a frecuencia intermedia, para finalmente obtener sus componentes en fase y cuadratura (figura 1.5). Ambas señales, entonces, son muestreadas para ser procesadas en el DSP. (Carlotto, 2012). Figura 1.5. Diagrama en bloques de las unidades funcionales que componen el receptor en la estación terrena.. 13.

(27) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 14. A partir de las muestras, la Unidad de Búsqueda es la encargada de detectar la transmisión de alguna DCP y estimar la frecuencia y amplitud de la portadora recibida. La Unidad de Recuperación de Datos es la encargada de adquirir la portadora, recuperar el reloj de bit y encontrar el sincronismo de trama, de manera de obtener el mensaje transmitido. La modulación utilizada por el sistema, es PSK binario donde la fase de la portadora se modula en ±1, los datos se transmiten en la componente en cuadratura, mientras que la componente en fase se corresponde con la portadora (portadora residual). La forma del pulso es Manchester (biphase-L). Finalmente, la Unidad de Interfaz de Comandos y Datos, permite controlar el estado del receptor por medio de comandos enviados desde tierra y descargar los mensajes recuperados y almacenados por el receptor. Para realizar las tareas de procesamiento digital de la señal se seleccionó el DSP de Analog Devices ADSP21060 SHARC (Super Harvard Architecture Computer), el cual: Es un procesador de 32 bits de alto performance y pertenece a la familia del 21020 que posee versión endurecida a la radiación. Tiene un ciclo de instrucción de 25 ns y opera a 40 MIPS Posee 4 Mbit de memoria interna SRAM organizada en dos bancos de 2 Mbit cada uno, mediante la interfaz de puerto externo. Es capaz de direccionar hasta 4 Giga palabras de memoria en el espacio unificado de memoria, que incluye dispositivos externos, conversores analógico-digital, conversor digital-analógico, UART y EEPROM. La figura 1.6 muestra la interconexión entre el DSP y los periféricos utilizados.. Figura 1.6. Conexionado entre el DSP y los periféricos. 14.

(28) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 15. 1.6 Sistemas embebidos basados en microcontroladores. Los sistemas basados en microcontroladores tienen la ventaja de ser muy económicos, ocupan poco espacio, se implementan aplicaciones muy específicas que no demandan gran cantidad de recursos de hardware. Se emplean en problemas muy específicos, por lo que hoy en día no suelen ser el núcleo principal de un sistema embebido sino que se emplean para resolver un determinado problema dentro de un sistema aún mayor. Su programación es de relativa complejidad puesto que existe disponibilidad de herramientas de desarrollo diversas para microcontroladores (Wilmshurst, 2007). Estos sistemas fomentados sobre arquitecturas de microcontroladores ofrecen la facilidad al diseñador de diseñar el software de aplicación de sistemas empotrados para el cual es creada una estructura de hardware determinada y específica para el dispositivo seleccionado. A partir de los beneficios que brinda el empleo de microcontroladores en aplicaciones donde son necesarios elementos de control y procesamiento se señales, se han llevado a cabo en el mercado internacional numerosos avances tecnológicos y de aplicaciones específicas dado que existen microcontroladores para aplicaciones muy simples desde la gama de 8 bits hasta aplicaciones de altos niveles de procesamiento basados en microcontroladores de 32 bit. 1.6.1. Codificador de señales para Cohetería, basado en microcontroladores.. La industria aeronáutica no ha quedado exenta del empleo de nuevos sistemas de cómputo que se han desarrollado en los últimos años, la aplicación en cuestión corresponde a un codificador de señales moduladas por código de pulso (PCM) para satisfacer los requerimientos de los Proyectos Cohete 2009 y 2011 de Argentina, elemento esencial para las telemetrías de cohetes para realizar mediciones a distancia. Un sistema de Telemetría se basa en encontrar una manera de transmitir simultáneamente varios canales que contengan la información provista por los sensores de abordo, como se muestra en la figura 1.7. Las mediciones deberán transmitirse como datos analógicos o digitales.. 15.

(29) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 16. Figura 1.7. Diagrama en bloques del codificador. El Codificador PCM es el encargado de controlar y ejecutar las acciones es un microcontrolador, el cual recibe señales digitales o analógicas. El microcontrolador, con una estructura interna basada en registros y buses de 8 bits, recibirá las muestras del sensado de las señales analógicas en un formato serie digital, ya que un conversor analógico-digital (CAD) se encargará de dicha tarea. Mientras que las señales digitales ingresan por los puertos paralelos propios del microcontrolador, el cual será el encargado de empaquetar cada una de las muestras y armar la trama PCM con las palabras de sincronismo correspondientes (Rago, 2012). El sistema cuenta con: Dos conectores DB25 para entradas digitales, analógicas, señales de sincronización, tramas PCM con o sin procesamiento y alimentación. Uso de pines paralelos para incrementar el tiempo medio entre fallas (MTBF) en contactos. Pines de programación del microcontrolador accesibles por uno de los conectores DB25. Ajuste del nivel de salida de la trama PCM disponible por hardware desde el exterior.. 16.

(30) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS EMPOTRADOS.. 17. Figura1.8 Placa del codificador.. 17.

(31) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 18. CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 2.1. Propuesta de la tarjeta de circuito impreso.. El diseño proporciona un fácil acceso a los diferentes módulos de comunicaciones, así como a los diversos puertos de entradas/salidas y el puerto de programación del microcontrolador. La plataforma de hardware para aplicaciones industriales embebidas cuenta con cuatro fuentes reguladas que alimenta los diferentes módulos funcionales de la tarjeta. Permite la integración con otros dispositivos a través del módulo de comunicación RS-232. También tiene comunicación RS-485, una red de alta inmunidad al ruido electromagnético y facilita la inserción en un sistema mayor ya establecido, además posee un puerto USB para la transferencia de datos con dispositivos externos. Posee un puerto de comunicación Ethernet a 10Mb/s para conectarse a una red de este tipo. La arquitectura de hardware cuenta con 12 entradas digitales aisladas eléctricamente, 16 salidas digitales libres de potencial a relés, cuatro canales de medición de alta resolución y un reloj de tiempo real. Como unidad central de proceso se utilizaran 2 microcontroladores DsPic30f4013 que trabajan en paralelo mediante el bus CAN. Este microcontrolador se identifica por ser un procesador con altas prestaciones computacionales, que permite el desarrollo de una arquitectura eficiente para el diseño de sistemas embebidos. En la figura 2.1 se muestra un diagrama esquemático de la propuesta de diseño.. 18.

(32) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. USB- 2.0. FUENTE FUENTE. 19. ETHERNET. RS- 485 UNIDAD CENTRAL DE. RS- 232. PROCESAMIENTO. Analógicas. Salidas. Entradas digitales. Entradas. RTC. Digitales. IN. DIG. Figura 2.1 Diagrama esquemático.. 2.1.1 Dispositivo programable empleado en el diseño. El microcontrolador dsPIC30F4013 es una máquina RISC (Reduced Instruction Set Computer) Harvard modificada con las siguientes características (Microchip, 2004). Características DsPIC30F4013: 84 instrucciones básicas. 48Kbytes de memoria de programa tipo flash. 1Kbytes de memoria de datos tipo RAM. 1Kbyte de memoria de dato tipo EEPROM. Entrada de oscilador a 4MHz-10MHz con divisores de frecuencias (PLL) activo (4x, 8x, 16x), y entrada de oscilador DC hasta 40Mhz. 33 Fuentes de interrupciones. Máxima corriente de entrada y salida por cada pin de: Imáx=25 mA. Contadores/temporizadores de hasta 16 bits. Comparador/Modulador de Ancho de Pulso (PWM) de hasta 16 bits. 19.

(33) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 20. Bus I2C, soporta modo multi-máster y esclavo. Módulos de comunicación UART con buffer tipo FIFO. Convertidor análogo digital (ADC) con palabra de 12 bits, con una razón de conversión de 100Kbps y 13 canales de entradas seleccionables. Conversión durante estado de reposo o mínimo consumo. Detección de bajo voltaje programable (PLVD). Auto reinicio programable y reinicio por hardware. Programación serie mediante 5 pines (conector ICSP). Monitoreo de fallas en oscilador externo y cambio a oscilador RC interno de bajo consumo. 2.2. Fuente de alimentación.. En el ambiente industrial es muy importante contar con dispositivos capaces de mantener un desempeño fiable bajo cualquier condición. Un problema muy importante en el diseño de un circuito electrónico es una fuente de suministro estable, para ello se emplean dos reguladores de voltajes LM2576 para proporcionar una alimentación de +12Vdc y +5Vdc. Cálculo del diseño fuente de voltaje +12Vdc y +5Vdc (figura 2.2).. Figura 2.2 Configuración del LM2576 (National Semiconductor, 2004).. 20.

(34) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 21. La salida Vout se puede determinar teniendo en cuenta el voltaje de realimentación del regulador (Vref) y el divisor resistivo formado por R1 y R2: Vo u t. Vref. 1. R2 R1. (1). Donde: Vref = 1.23V y R1 toma valores entre 1KΩ y 5KΩ, por lo que el cálculo se reduce a R2. R1. Vo u t Vref. 1. (2). Para el valor deseado Vo =+12Vdc se fija R1=1.2KΩ por lo que R2= 10.5KΩ, tomándose valores comerciales de 10KΩ y 510Ω. Para la fuente de +5Vdc se sustituye R1= 1.2KΩ, obteniéndose R2= 3.1KΩ. Para el módulo de comunicación ethernet se diseña una fuente de +3.3vdc, se utiliza el regulador MC33269DT3.3 (figura 2.3).. Figura 2.3 Configuración del MC33269DT3.3 (National Semiconductor, 2004).. 21.

(35) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 22. Para los conversores análogos digitales se emplea una fuente de referencia de +5vdc y +10vdc seleccionable por jumper. Se usa un Tl431 y el LM317 en este diseño (figura 2.4).. Figura 2.4. Configuración de la fuente de referencia. El voltaje de salida se calcula por la ecuación1 y ecuación2, pero vref = 1.25V. Para +5dvc:. R1 = 250Ω y R2 = 252Ω;. Para +10vdc:. R1 = 250Ω y R2 = 756Ω;. 2.3. Comunicación RS-232, Capa física.. RS-232 (Recommended Standard 232), también conocido como Electronic Industries Alliance RS-232C, consiste en una interfaz que designa una norma para el intercambio de datos binarios entre un Equipo Terminal de Datos (DTE) y un Equipo de Comunicación de Datos (DCE) que regula la transmisión de datos, el cableado, las señales eléctricas y los conectores en los que debe basarse una conexión RS-232. La interfaz RS-232 está diseñada para transmitir datos a distancias cortas, de hasta 15 metros, para velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 Kbps y ampliamente aceptada para la transmisión de datos a través de líneas simples (referidas a masa).. 22.

(36) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 23. 2.3.1 Método físico de transmisión RS-232. Los Transmisores/Receptores Sincrónicos/Asincrónicos Universales (USART) deben resolver problemas tales como la conversión de voltajes internos del DCE con respecto al DTE, gobernar las señales de control y realizar la transformación desde el bus de datos de señales en paralelo a serie y viceversa. Debe ser robusta y deberá tolerar circuitos abiertos, cortocircuitos y escritura simultánea sobre un mismo pin, entre otras consideraciones (Álvarez, 2012). Para establecer la conexión serial se emplea un conector tipo DB9 (figura 2.5) que se ha extendido para ciertos tipos de periféricos.. Figura 2.5 Pines del conector DB9. Generalmente, cuando se requiere conectar un microcontrolador (con señales típicamente de +5VDC) con un puerto RS-232 estándar, se utiliza un driver de línea, típicamente un MAX232 o compatible, el cual mediante dobladores de voltaje positivos y negativos, permite obtener la señal bipolar (típicamente alrededor de ± 10V) requerida por el estándar. (Texas Instruments, 2004). Las conversiones que se usan son las mostradas en la Tabla 1. Tabla 1. Conversiones de voltaje. Voltaje. Señal. Nivel Lógico. Control. +3 a +12. Espacio. 0. On. -3 a -12. Marca. 1. Off. 23.

(37) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 24. Las señales con las que trabaja el puerto serial son digitales para la entrada y salida de datos, y viceversa en las señales de control. Los valores de voltaje se invierten con respecto a los valores lógicos, es decir, el valor lógico positivo corresponde al voltaje negativo. Es necesario destacar que un 0 lógico corresponde a la señal de valor verdadero o activado. 2.4. Comunicación RS- 485. Capa física.. RS-485 o también conocido como EIA-485, fue introducida en 1983, pero aún es la más utilizada en los sistemas de bus de campo y redes industriales. Está definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, es ideal para transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbps hasta 10 metros y 100 Kbps en 1.200 metros) en ambientes ruidosos. El medio físico de transmisión es un par trenzado, admite topologías de hasta 32 estaciones, con una longitud máxima de 1.200 metros operando entre 300 y 19200 bps mediante la comunicación semiduplex (half-duplex). Un excitador (driver) puede alimentar a 32 unidades de carga y a una resistencia terminal de 60 Ohms o más (Álvarez, 2012). Al tratarse de un estándar abierto permite diferentes configuraciones y utilizaciones.. Figura 2.6 Ejemplo de Conexión típica de la red RS-485.. 24.

(38) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 25. 2.4.1 Bus a 2 hilos RS485. El Bus de 2 hilos RS485 se compone según la Figura 2.7, del cable propio de bus con una longitud máximo de 500m. Los participantes se conectan a este cable a través de una línea adaptadora de máximo 5 metros de largo. La ventaja de la técnica de 2 hilos reside esencialmente en la capacidad multi-máster, donde cualquier participante puede cambiar datos, en principio, con cualquier otro. El Bus de 2 hilos es básicamente apto sólo en modo semiduplex. Es decir, puesto que sólo hay a disposición una vía de transmisión, siempre puede enviar datos un solo participante.. Figura 2.7 Bus de 2 hilos RS485 2.4.2 Método físico de transmisión. Los datos en serie, se transmiten sin relación de masa como diferencia de tensión entre dos líneas correspondientes. Para cada señal a transmitir existe un par de conductores que se componen de una línea de señales invertida y otra no invertida. La línea no invertida se caracteriza por regla general por el índice "A" o "+", mientras que la línea invertida lleva "B" o "-". El receptor evalúa solamente la diferencia existente entre ambas líneas, de modo que las modalidades comunes de perturbación en la línea de transmisión no interfieren la señal útil. Los transmisores RS485 ponen a disposición, bajo carga, un nivel de salida de ±2V entre las dos salidas; los módulos de recepción reconocen el nivel de ±200mV como señal válida. La asignación tensión de diferencia al estado lógico se define del modo siguiente:. A - B < -0,3V = MARK = OFF = 0 Lógico A - B > +0,3V = SPACE = ON = 1 Lógico 25.

(39) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 2.5. 26. Comunicación Ethernet 10BaseT.. Las soluciones basadas en Ethernet se están utilizando cada vez más en el sector de las tecnologías de automatización, donde las secuencias de procesos y producción son controladas y supervisadas desde computadoras conectadas en la misma red. Ethernet consta de cuatro elementos básicos: El medio físico: compuesto el cable UTP cat5 o 5E y otros elementos de hardware, como conectores RJ45, utilizados para transportar la señal entre las computadoras conectadas a la red. Los. componentes. de. señalización:. dispositivos. electrónicos. estandarizados. (transceivers) que envían y reciben señales sobre un canal Ethernet. El conjunto de reglas para acceder el medio: protocolo utilizado por la interfaz (tarjeta de red) que controla el acceso al medio y que le permite a dispositivos de red acceder de forma compartida el canal Ethernet. La trama Ethernet: conjunto de bits organizados de forma estándar que se utiliza para llevar los datos dentro del sistema Ethernet. 2.5.1 Capa física. El estándar para Ethernet (IEEE 802.3) se especifica mediante subcapas en el modelo OSI, como se muestra en la figura 2.8.. Figura 2.8 Estándar IEEE 802.3 en el modelo OSI.. 26.

(40) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 27. La especificación 10BASE-T define las características eléctricas, funcionales y mecánicas sobre un medio específico, en este caso el par trenzado de cobre (UTP), el cual consta de cuatro pares de cobre trenzados que van hacia conectores RJ-45 a una velocidad de transmisión de 10 Mbps con señalización en banda base, pero con codificación de tipo Manchester a fin de lograr una mejor sincronización de las estaciones y evitar niveles de voltajes DC en la línea. Utiliza método de acceso al medio con sensado de portadora y detección de colisión (CSMA/CD), donde la transmisión de la señal es balanceada o simétrica, de ahí que se utilicen dos pares de cobre para transmitir y dos para recibir, lo que permite mayor inmunidad al ruido y además puede trabajar en los modos de operación unidireccional (half duplex) y bidireccional (full duplex) (Wiley, 2003). A continuación se muestra en la Tabla 2 los parámetros permitidos para la implementación a 10 Mbps del procedimiento CSMA/CD por el nivel MAC.. Tabla 2. Parámetros para la implementación de 10Mbps. Parámetros Ranuras de tiempo. Valores 512 bits. Espacio entre tramas 9.6µs Límites de intentos. 16. Límites de vueltas. 10. Tamaño de alarma. 32 bits. Trama máxima. 1518 Octetos. Trama mínima. 512 bits(64 octetos). Límite de ráfagas. No se aplica. El corazón del sistema Ethernet es la trama utilizada para llevar datos entre los dispositivos de la red. La trama consta de una serie de bits organizados en varios campos, los que incluyen la dirección física de las interfaces Ethernet, un campo variable de datos (entre 46 y 1500 bytes) y un campo de chequeo de error (figura 2.9).. 27.

(41) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 28. Figura 2.9 Trama Ethernet. • Preámbulo: 64 bits (8 bytes) de sincronización. • Destino: 6 bytes, dirección física del nodo destino (MAC address). • Origen: 6 bytes, dirección del nodo origen (MAC address). • Tipo: 2 bytes, especifica el protocolo de la capa superior. • Datos: entre 46 y 1500 bytes, información de las capas superiores. • Chequeo: Secuencia de chequeo de trama (FCS). 2.6. Bus de Comunicación Universal (USB). Capa física.. El USB (Universal Serial Bus) consiste en una norma para bus periférico desarrollada por las industrias de computadoras y telecomunicaciones (Compaq, Hewlett- Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC y Philips). Permite adjuntar dispositivos periféricos rápidamente (dispositivos plug-and-play) sin necesidad de reiniciar ni de volver a configurar el sistema, los dispositivos se configuran automáticamente tan pronto como se han conectado físicamente. La interfaz USB está concebida para soportar de forma completa aplicaciones de datos, audio y video en tiempo real, es un protocolo flexible para modo mixto de transferencia sincrónica, mensajería asincrónica y provisión de una interface estándar. La capa física del modelo lógico comprende los puertos físicos, el cable, los voltajes y señales, el hardware y su funcionamiento. Esta capa tiene el objetivo de liberar a las capas superiores de todos los problemas relacionados a la modulación, voltajes de transmisión, saltos de fase, frecuencias y características netamente físicas de la transmisión. Los dispositivos USB se clasifican en cuatro tipos según su velocidad de transferencia de datos: Baja Velocidad (1.0): Razón de bits 1.5Mbit/s (192KB/s). Utilizado en su mayoría por Dispositivos de Interfaz Humana (HID) como teclados, ratones, impresoras, etc.. 28.

(42) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 29. Velocidad Completa (1.1): Razón de bits 12Mbit/s (1.5MB/s). Estos dispositivos, dividen el ancho de banda de la conexión USB entre ellos basados en un algoritmo FIFO (First In First Out). Alta Velocidad (2.0): Razón de bits 480Mbit/s (60MB/s). Dentro de sus puntos débiles se encuentra la ausencia de broadcasting, y la complejidad del protocolo. Súper Velocidad (3.0): Razón de bits de 4.8Gbit/s (600MB/s). Las velocidades de los buses son 10 veces más rápidas que la de USB 2.0 debido a la inclusión de un enlace de fibra óptica que trabaja con los conectores tradicionales de cobre. (Cabeza, 2007). 2.6.1 Breve descripción del proceso de transmisión USB. Las señales del USB son transmitidas a través de 4 conductores, un par trenzado con impedancia de 90Ω ±15% llamados D+ y D-. Utilizan señalización diferencial en half dúplex para atenuar los efectos del ruido electromagnético en enlaces largos. D+ y Dusualmente operan en conjunto y no son conexiones simples. Los otros dos conductores son tierra y alimentación. La forma básica de comunicación USB es a través de los llamados endpoints (bloque de memoria de datos o un registro en el chip del controlador de dispositivo). Un endpoint puede transportar datos en una sola dirección, ya sea desde el host hacia el dispositivo (OUT endpoint) o viceversa (IN endpoint) (Aguirre, 2009). Estas transferencias pueden ser comprendidas como: Control: Permiten al host obtener información sobre el dispositivo, el envío de comandos o recuperar informes sobre la situación del dispositivo y asignar una dirección a cada uno de estos. Masivo (bulk): Este tipo es usado para transferir grandes cantidades de información sin pérdida de datos, si no hay suficiente espacio en el bus para enviar el paquete en su totalidad, se separan a través de múltiples transferencias hacia o desde el dispositivo. Interrupciones: Los endpoints de interrupción transfieren pequeñas cantidades de datos a una velocidad estable. Se emplea fundamentalmente para controlar los dispositivos USB, pero no para la transferencia de grandes cantidades de datos, por. 29.

(43) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 30. lo que constituye una semántica distinta a interrupciones clásicas donde el tiempo máximo entre transferencias (latencia) es garantizada. Sincrónico: se emplea en la transmisión de grandes cantidades de datos, pero no posee control de errores. Este tipo de transferencia puede ser usada en dispositivos que pueden manejar la perdida de datos, generalmente en aplicaciones de datos multimedia. 2.7. Reloj de tiempo real.. El módulo de reloj es el encargado de generar las diferentes señales de reloj necesarias para la temporización de los circuitos digitales. Estos a menudo tienen una fuente de alimentación alternativa, por lo que pueden seguir midiendo el tiempo mientras la fuente de alimentación principal está apagada o no está disponible. Existen varios tipos de osciladores basados en el empleo de resonadores de cristal de cuarzo, cerámicos, SAW, LC y RC. Cada uno de ellos presenta características específicas de margen de frecuencia, estabilidad y consumo. 2.7.1 Especificaciones del sistema de reloj. La mayoría de los relojes de tiempo real usan un cristal, que en muchos casos tiene un valor de 32.768 kHz, lo que es equivale exactamente a 215 ciclos por segundo, que es una razón muy práctica para usar con circuitos digitales. Entre los aspectos a tener en cuenta en la selección del tipo de oscilador se encuentran: Frecuencia necesaria y la posible selección de ésta de forma automática. Estabilidad y precisión de la frecuencia con la temperatura, envejecimiento, etc. Consumo de corriente requerido y su complejidad de hardware. El coste del resonador empleado para construirlo. Aunque controlar el tiempo puede hacerse sin un reloj de tiempo real, usarlo tiene como beneficios: Bajo consumo de energía (importante cuando está funcionando con una batería). 30.

(44) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 31. Libera de trabajo al sistema principal para que pueda dedicarse a tareas más críticas. Mayor precisión. 2.8. Procesamiento de señales analógicas.. El proceso de conversión de las señales analógicas en representaciones digitales se realiza mediante el acondicionamiento donde se lleva a cabo la amplificación y filtado de la señal deseada y la digitalización donde ocurre el muestreo, discretización y cuantificación como se muestra en la figura 2.11.. Figura 2.11 Diagrama de un sistema de adquisición de datos. Para la realización de este proceso se pueden emplear convertidores de aproximaciones sucesivas, rastreadores, con comparadores en paralelo o flash, los integradores o de rampa y los sigma - delta. Se pueden encontrar varios tipos de transductores, resistivos, piezoeléctricos, inductivos, capacitivos, etc., de los cuales se pueden mencionar las galgas extensométricas, los termistores, RTD, NTC, PTC, cápsulas piezo-resistivas, tc. Estos transductores pueden ser usados en puentes de Wheastone (figura 2.9) para el sensado de la variable de entrada, que reportará volares de salida dependiendo de las variaciones ocurridas en el elemento de medición. Estos puentes pueden ser diseñados a cuarto de puente, medio puente y tres cuartos de puente y puente completo con configuración a 2 hilos (figura 2.12 a) y 3 hilos (figura 2.12 b) y cuatro hilos.. 31.

(45) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 32. Figura 2.12 Puente de Wheastone. (a) Configuración a 2 hilos (b) Configuración a 3 hilos Este circuito se emplea para obtener una señal de salida que depende de la variación de la resistencia interna (Rx) del transductor empleado.. Vs. Vb. Va. Rx. V. Rx. R3 R2. R1. R3. (3). Donde: V: voltaje de alimentación Rx: resistencia interna del transductor R1,R2,R3: resistencias del puente de Wheastone Rx. R0. R. R0. 1. R R0. (4). Donde: R0: resistencia interna cuando no hay variaciones ΔR: variación de la resistencia En la etapa de acondicionamiento se realiza la amplificación mediante el uso de amplificadores de instrumentación. Este tipo de circuito se utiliza por la respuesta que 32.

(46) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 33. tienen antes fluctuaciones de temperatura, intenso ruido eléctrico y reciben señales eléctricas muy débiles por lo que su alta ganancia debe ser ajustada. Dentro de este proceso también es de gran importancia el filtado de la señal para evitar errores de medición a causa de ruido. Para este proceso existen varios tipos de filtros como son los pasivos, los activos, los de capacidad conmutada y los digitales, los cuales pueden ser de acuerdo a la función que realizan paso bajo, paso alto, pasa banda y de rechazo de banda, y por la aproximación matemática empleada pueden ser de Butterworth, Chebyshev y de Bessel, los cuales son seleccionados de acuerdo a las necesidades de la aplicación. Para un correcto proceso de conversión es necesario realizar un muestreo de la señal analógica de manera óptima, por lo que la frecuencia de muestreo o Nyquist (fs) debe ser mayor o igual 3 veces la frecuencia máxima de las componentes del espectro de la señal (fm) (Roche, 2012). fs. 3...5 fm (5). Al muestrear a una frecuencia mayor que la de Nyquist la densidad espectral de potencia disminuye porque el ruido de cuantización se reparte sobre un ancho de banda mayor y provoca el incremento del número de bits efectivos en un convertidor analógico – digital y la disminución de la potencia de ruido integrada en la banda de interés. Con el fin de adaptar la señal analógica a los circuitos procesadores se emplea el convertidor analógico – digital (CAD), representado como un circuito integrado que transforma una señal continua en el tiempo y en amplitud en otra señal discreta cuya amplitud está cuantificada y codificada mediante un código binario de N bits (González, 2010). 2.8.1 Conversor analógico – digital Sigma – Delta. Estos convertidores se caracterizan por cuantificar la señal de entrada con la más baja resolución posible (con un simple comparador de 1bit) pero a muy alta frecuencia de muestreo (cientos de MHz).. 33.

(47) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 34. Figura 2.13 Convertidor sigma – delta (García, 2004) Estos convertidores exhiben una gran linealidad, no requieren de muestreo – retención, pero no pueden ser utilizados para varios canales debido a que necesitan de la historia pasada de la señal para su funcionamiento, es decir realiza la integración de la señal en su proceso de conversión. Se utiliza en el diseño se emplean 2 convertidores AD7710, de 16/24 bits con una pérdida de bits del 0.0015%, para obtener 4 entradas analógicas. Este convertidor es un A/D from end, con comunicación I2C, configurable por software, tiene un amplificador de ganancia programable entre 1 y 128 en 8 pasos con entrada diferencial. La frecuencia de corte del filtro digital es programable en 9 valores y sus frecuencias de conversión pueden alcanzar hasta 312KHz para una frecuencia de reloj de 10MHz. Este A/D tiene una capacidad de lectura/escritura de los coeficientes de calibración, puede ser configurado en modo autocalibración, usado en aplicaciones de control de procesos, cromatografía, sensado de presión, temperatura, celdas de pesaje, pequeñas transmisores. 2.9. Requerimientos del diseño para la manufactura.. Las características del diseño eléctrico de una placa de circuito impreso han llegado a convertirse en una definición funcional crítica para muchas aplicaciones y productos 34.

(48) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 35. electrónicos. Para lograr una arquitectura de hardware a escala industrial es necesario el cumplimiento de normas y especificaciones que muestren un diseño capaz de cumplir con las expectativas de las aplicaciones para las cuales será empleado. Todo diseñador debe evaluar, durante la conceptualización de su producto, la incidencia de los siguientes aspectos (ICID, 2004): Tipo de material base solicitado. Número de capas. Área de la placa impresa. Uso efectivo de la panelización. (Empleo de no menos del 80% del área del panel clásico de fabricación). Número total de agujeros. -. Diámetro mínimo.. Variedad de diámetros de agujeros. Presencia de slots. Ancho de conductor. Separación entre conductores. Serigrafía: -. Tipo de mascara. (térmica / foto estructurada). -. Esquema de montaje.. Geometría del contorno exterior de la placa (Tipo de corte). Grosor del depósito de cobre en el agujero. Inspección eléctrica. En la actualidad, los requerimientos para garantizar la integridad de la señal eléctrica delimitan un conjunto de consideraciones a abordar desde el inicio de la etapa del diseño, con el propósito de alcanzar y cumplir con las demandas de un correcto funcionamiento. 2.9.1 Segmentación de circuitos. El principal método de mejorar la integridad de las señales es aislar o separar en el diseño la porción más crítica o sensible del circuito del resto, lo cual permite personalizar un 35.

(49) CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. 36. adecuado aislamiento de influencias externas adversas. Los circuitos más sensibles pueden ser susceptibles a los efectos adversos inducidos por una o más de una fuente externa de fuerza tales como: electromagnetismo, sistema de Voltaje y Tierra, vibraciones mecánicas y efectos térmicos. Esta previsión se alcanza por medio de una definida separación física entre estos, por lo que una metodología adecuada para lograr este fin es: Definir las unidades funcionales. Clasificar todas las unidades por su frecuencia: Sensores analógicos, baja frecuencia digital y alta frecuencia digital como se muestran en las figuras 2.14 (a) y (b) respectivamente. Mantener los elementos de una unidad funcional lo más próximo posible con el propósito del mínimo recorrido de los conductores de señales. Habilitar suficiente espacio para los condensadores de desacople. Para un diseño doble cara mantener una distancia entre las unidades funcionales. Los conectores deben estar localizados en un borde o esquina de la placa. Ningún circuito de alta frecuencia debe ser localizado entre conductores I/O. Una componente en la placa que se comunique a través de un conector con una componente fuera de la placa debe ser localizada tan cerca como posible al conector (nunca más de 2 cm). Todas las salidas de una componente al exterior del impreso deben ser trazadas a un mismo conector. Los componentes no conectados a una red I/O deben estar localizados a una distancia no menor de 2 cm de la red I/O y de sus conectores. Los drivers del reloj deben estar localizados adyacentes a los osciladores de este.. 36.

Figure

Figura 1.1. Diagrama del Osciloscopio Digital basado en FPGA.
Figura 1.4. PC empotrada MBTI2440.
Figura 1.5. Diagrama en bloques de las unidades funcionales que componen el receptor en  la estación terrena
Figura 1.6. Conexionado entre el DSP y los periféricos.
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Referencias

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