tesis tarjeta programable - cenidet.edu.mx felix vicente... · componente como tarjetas de...

S.E.P. S.E.S. D.G.E.S.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIN

Y DESARROLLO TECNOLGICO

cenidet

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA TARJETA PROGRAMABLE DE ADQUISICIN,

PROCESAMIENTO DE DATOS Y CONTROL

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN M E C A T R N I C A

PRESENTAN:

FLIX VICENTE JMENEZ ROS JOAQUN RIVERO JUREZ

DIRECTORES DE TESIS:

M.C. JOS LUIS GONZLEZ RUBIO SANDOVAL DR. RAL PINTO ELAS

CUERNAVACA, MORELOS, MXICO FEBRERO DE 2006

RESUMEN La automatizacin industrial se divide en 3 fases: adquisicin de datos, procesamiento o tratamiento de la informacin y control de elementos actuadores. Existen alternativas comerciales que permiten realizar una o todas las fases de automatizacin en un solo componente como tarjetas de adquisicin de datos o controladores lgicos programables (PLCs). En este trabajo se presenta el diseo, construccin y prueba de una tarjeta programable capaz de realizar las 3 funciones de automatizacin de un proceso con la capacidad de trabajar de forma autnoma. Se dise y fabric una tarjeta de aplicacin para la realizacin de las pruebas de los mdulos de: entradas/salidas digitales, entradas analgicas, potencia para motores, comunicacin con la computadora y memorias EEPROM. Adems de las pruebas funcionales, se disearon, construyeron y probaron 3 plantas mecatrnicas con la tarjeta programable. Las 3 plantas son: un robot mvil seguidor de lnea, un modelo a escala de una plataforma de seguimiento solar y una cmara trmica con temperatura controlada.

ABSTRACT

The industrial automation is divided in 3 phases: acquisition of data, processing or treatment of information and control of actuator elements. There exist commercial alternatives to carry out one or all the automation phases in a single component such as cards of data acquisition or programmable logic controllers (PLCs). This work shows up the design, construction and test of a programmable card able to carry out the 3 automation functions of a process with the capacity to work in an autonomous way. An application card was designed for testing the modules of: digital inputs/outputs, analog inputs, power for motors, communication between the computer and EEPROM memories. Besides the functional tests, there were designed, built and tested 3 mechatronic plants with the programmable card. The 3 plants are: a line follower mobile robot, a scale model of a solar tracer platform and a thermal camera with controlled temperature.

i

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS ...........................................................................................................iv LISTA DE TABLAS.............................................................................................................vi ACRONIMOS Y SIGLAS ...................................................................................................vii NOMENCLATURA...............................................................................................................x Captulo 1. Introduccin.......................................................................................................1 1.1. Antecedentes......................................................................................................2 1.2. Descripcin del problema..................................................................................2 1.3. Estado del arte de sistemas de adquisicin, procesamiento de datos y control

de procesos ........................................................................................................3 1.3.1. Transductores y sensores ...................................................................................3 1.3.2. Acondicionadores de seales.............................................................................4 1.3.3. Mdulos de adquisicin de datos ......................................................................4 1.3.4. Controladores ....................................................................................................7 1.4. Propuesta de solucin ........................................................................................9 1.4.1. Objetivos............................................................................................................9 1.4.2. Metodologa de solucin ...................................................................................9 1.4.3. Aportacin o contribucin...............................................................................10 1.5. Organizacin de la tesis...................................................................................10 Captulo 2. Determinacin de las caractersticas funcionales de la tarjeta programable ...11 2.1. Recursos requeridos por plantas o procesos ....................................................12 2.2. Microcontroladores y controladores de seal digital.......................................12 2.2.1. Microcontroladores..........................................................................................12 2.2.2. Controladores de seal digital .........................................................................18 2.2.3. Herramientas de desarrollo..............................................................................21 2.3. Proceso de seleccin del microcontrolador con el que opera la tarjeta

programable .....................................................................................................22 2.4. Tiempo de procesamiento del microcontrolador del PIC18F452....................26 2.4.1. Temporizadores del microcontrolador.............................................................27 2.4.2. Modulacin de ancho de pulso generada por el microcontrolador..................28 2.4.3. Tiempo de conversin del conversor anlogo/digital......................................29 2.5. Interfases de comunicacin ............................................................................31 2.5.1. Interfaz de comunicacin entre tarjetas ...........................................................32 2.5.2. Interfaz de comunicacin entre la tarjeta y la computadora............................32 2.6. Descripcin de la tarjeta programable de adquisicin, procesamiento de datos

y control...........................................................................................................33 Captulo 3. Diseo electrnico de la tarjeta .......................................................................34 3.1. Descripcin a bloques de la tarjeta programable.............................................35 3.2. Diagramas esquemticos electrnicos de la tarjeta programable ....................36

ii

3.3. Diagramas esquemticos electrnicos de la tarjeta de aplicacin ...................44 3.4. Diseo de las tarjetas de circuito impreso .......................................................45 Captulo 4. Construccin y pruebas de las tarjetas electrnicas.........................................47 4.1. Construccin de las tarjetas electrnicas .........................................................48 4.2. Emulacin funcional de los mdulos de la tarjeta programable......................50 4.2.1. Prueba de E/S digitales ....................................................................................51 4.2.2. Prueba de entradas analgicas .........................................................................51 4.2.3. Prueba de potencia para motores .....................................................................52 4.2.4. Prueba de la pantalla de cristal lquido (LCD) ................................................53 4.2.5. Prueba de comunicacin con la PC .................................................................53 4.2.6. Prueba de memorias EEPROM .......................................................................54 4.2.7. Prueba de E/S de 4-20 mA ..............................................................................55 Captulo 5. Diseo y construccin de plantas ....................................................................58 5.1. Descripcin de plantas a controlar...................................................................59 5.2. Robot mvil seguidor de lnea.........................................................................60 5.2.1. Objetivo ...........................................................................................................60 5.2.2. Requerimientos de la planta ............................................................................60 5.2.3. Diseo mecnico .............................................................................................60 5.2.4. Diseo elctrico del robot mvil .....................................................................61 5.2.5. Algoritmo de control .......................................................................................62 5.3. Modelo a escala de una plataforma de seguimiento solar ...............................63 5.3.1. Objetivo ...........................................................................................................63 5.3.2. Requerimientos de la planta ............................................................................63 5.3.3. Diseo mecnico .............................................................................................65 5.3.4. Diseo elctrico del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar..66 5.3.5. Algoritmo de control .......................................................................................68 5.4. Cmara trmica con temperatura controlada ...................................................70 5.4.1. Objetivo ...........................................................................................................70 5.4.2. Diseo mecnico .............................................................................................70 5.4.3. Diseo elctrico de la cmara trmica.............................................................71 5.4.4. Requerimientos de la planta ............................................................................72 5.4.5. Algoritmo de control .......................................................................................73 Captulo 6. Experimentacin y anlisis de resultados........................................................76 6.1. Pruebas y resultados de la tarjeta programable con el robot mvil seguidor de

lnea .................................................................................................................77 6.2. Pruebas y resultados de la tarjeta programable con el modelo a escala de la

plataforma de seguimiento solar......................................................................78 6.3. Pruebas y resultados de la tarjeta programable con la cmara trmica con

temperatura controlada ....................................................................................79 Captulo 7. Conclusiones....................................................................................................83

iii

7.1. Conclusiones....................................................................................................84 7.2. Trabajos futuros...............................................................................................85 REFERENCIAS ...................................................................................................................86 Anexo A. Circuitos esquemticos de la tarjeta programable ...........................................88 Anexo B. Diseos de placas de circuito impreso.............................................................92 Anexo C. Programas de prueba de la tarjeta programable.............................................104 Anexo D. Documentacin de los programas de control de las plantas..........................113 Anexo E. Lista de componentes ....................................................................................146

iv

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Mdulo de adquisicin de datos............................................................................ 4 Figura 1.2 Diagrama a bloques de un sistema de adquisicin, procesamiento de datos y control..................................................................................................................................... 5 Figura 2.1 Comparacin de microcontroladores en cuanto a frecuencia de operacin........ 23 Figura 2.2 Comparacin de microcontroladores en cuanto a nmero de terminales de E/S.24 Figura 2.3 Comparacin de microcontroladores en cuanto a memoria de programa........... 24 Figura 2.4 Circuito oscilador del microcontrolador ............................................................. 26 Figura 2.5 Flujo de ejecucin de instrucciones. ................................................................... 27 Figura 2.6 Flujo paralelo de bsqueda/ejecucin (pipelining). ............................................ 27 Figura 2.7 Salida PWM. ....................................................................................................... 28 Figura 2.8 Modelo de la entrada analgica........................................................................... 30 Figura 3.1 Mdulos que conforman la tarjeta programable. ................................................ 35 Figura 3.2 Circuito electrnico del mdulo de entradas/salidas digitales. ........................... 36 Figura 3.3 Circuito electrnico del mdulo de entradas analgicas..................................... 38 Figura 3.4 Circuito electrnico del mdulo de alimentacin. .............................................. 38 Figura 3.5 Circuito electrnico del mdulo de memoria EEPROM..................................... 39 Figura 3.6 Circuito electrnico del mdulo de comunicacin con la PC. ............................ 40 Figura 3.7 Circuito electrnico del mdulo de comunicacin I2C. ...................................... 41 Figura 3.8 Circuito electrnico del mdulo de potencia para motores................................. 42 Figura 3.9 Circuito electrnico del conector para pantalla de cristal lquido....................... 42 Figura 3.10 Circuito electrnico del mdulo de procesamiento........................................... 43 Figura 3.11 Circuito electrnico del mdulo de E/S de 4-20 mA. ....................................... 44 Figura 3.12 Circuito electrnico de la tarjeta de aplicacin................................................. 45 Figura 4.1 Tarjeta principal. ................................................................................................. 48 Figura 4.2 Tarjeta de procesamiento. ................................................................................... 49 Figura 4.3 Tarjeta de entrada/salida de 4-20 mA. ................................................................ 49 Figura 4.4 Tarjeta de aplicacin. .......................................................................................... 50 Figura 4.5 Grfica de respuesta del receptor de 4-20 mA. ................................................... 56 Figura 5.1 Robot mvil seguidor de lnea ............................................................................ 60 Figura 5.2 Robot mvil seguidor de lnea ........................................................................... 61 Figura 5.3 Circuito electrnico del robot mvil seguidor de lnea...................................... 62 Figura 5.4 Diferentes acciones del robot de acuerdo al estado de sus sensores. .................. 63 Figura 5.5 Circuito de potencia (puente H) para alimentar dos motores de 24 VCD. ......... 64 Figura 5.6 Circuito de operacin simplificado del puente H................................................ 64 Figura 5.7 Diseo mecnico del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar.... 66 Figura 5.8 Vista superior del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar......... 67 Figura 5.9 Fotografa del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar............... 67 Figura 5.10 Circuito elctrico del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar. 68 Figura 5.11 Referencia de giros e identificacin de sensores............................................... 69 Figura 5.12 Cmara trmica con temperatura controlada..................................................... 70

v

Figura 5.13 Circuito generador de seal de referencia......................................................... 71 Figura 5.14 Seal de referencia. ........................................................................................... 71 Figura 5.15 Circuito de control de CA. ................................................................................ 72 Figura 5.16 Diagrama elctrico de la cmara trmica y la tarjeta programable. .................. 72 Figura 5.17 Instrumento virtual de configuracin y visualizacin de la cmara trmica..... 74 Figura 6.1 Pista de prueba del robot mvil seguidor de lnea. ............................................. 77 Figura 6.2 Prueba de controlador proporcional. ................................................................... 82 Figura 6.3 Prueba de controlador proporcional-integral. ..................................................... 82 Figura A.1 Circuito esquemtico de tarjeta principal.......................................................... 88 Figura A.2 Circuito esquemtico de tarjeta de procesamiento............................................ 89 Figura A.3 Circuito esquemtico de la tarjeta de 4-20 mA. ................................................ 90 Figura A.4 Circuito esquemtico de tarjeta de aplicacin................................................... 91 Figura B.1 Diseo de la cara superior de la tarjeta principal. ............................................. 92 Figura B.2 Diseo de la cara inferior de la tarjeta principal. .............................................. 93 Figura B.3 Capa de leyenda de componentes de la tarjeta principal................................... 94 Figura B.4 Diseo de la cara superior de la tarjeta de procesamiento................................. 96 Figura B.5 Diseo de la cara inferior de la tarjeta de procesamiento.................................. 97 Figura B.6 Capa de leyenda de componentes de la tarjeta de procesamiento. .................... 98 Figura B.7 Diseo de la cara inferior de la tarjeta de E/S de 4-20 mA. .............................. 99 Figura B.8 Capa de leyenda de componentes de la tarjeta de E/S de 4-20 mA. ............... 100 Figura B.9 Diseo de la cara superior de la tarjeta de aplicacin. .................................... 101 Figura B.10 Diseo de la cara inferior de la tarjeta de aplicacin..................................... 102 Figura B.11 Capa de leyenda de componentes de la tarjeta de aplicacin........................ 103 Figura D.1 Panel frontal. ................................................................................................... 143 Figura D.2 Bloque 1 de 4 del programa de monitoreo y control....................................... 144 Figura D.3 Bloque 2 de 4 del programa de monitoreo y control....................................... 144 Figura D.4 Bloque 3 de 4 y sub-bloque 1 de 3 del programa de monitoreo y control. .... 144 Figura D.5 Sub-bloque 2 de 3 del programa de monitoreo y control................................ 145 Figura D.6 Sub-bloque 3 de 3 del programa de monitoreo y control................................ 145 Figura D.7 Bloque 4 de 4 del programa de monitoreo y control....................................... 145

vi

LISTA DE TABLAS Tabla 1.1 Caractersticas ms importantes de las tarjetas de adquisicin de datos. .............. 5 Tabla 1.2 Sistemas comerciales de adquisicin de datos. ..................................................... 6 Tabla 1.3 Comparacin de puertos de comunicacin............................................................ 8 Tabla 2.1 Recursos requeridos por plantas o procesos........................................................ 12 Tabla 2.2 Caractersticas tcnicas de los microcontroladores. ............................................ 14 Tabla 2.3 Comparacin de familia de controladores C2000. .............................................. 19 Tabla 2.4 Comparacin entre el PIC18F452 y el dsPIC30F. .............................................. 25 Tabla 2.5 Seleccin de capacitores...................................................................................... 26 Tabla 2.6 Especificacin de la tarjeta programable............................................................. 33 Tabla 3.1 Dimensiones fsicas de las tarjetas electrnicas. ................................................. 46 Tabla 4.1 Pruebas de la tarjeta programable....................................................................... 50 Tabla 4.2 Caracterizacin del receptor de 4-20 mA............................................................ 55 Tabla 4.3 Caracterizacin del transmisor de 4-20 mA. ....................................................... 56 Tabla 5.1 Descripcin de plantas fabricadas ....................................................................... 59 Tabla 6.1 Experimentacin de voltaje eficaz y tiempo de recorte....................................... 80 Tabla B.1Ubicacin de componentes en la tarjeta principal. ............................................... 95 Tabla C.1 Programas de las pruebas de la tarjeta programable.......................................... 104 Tabla D.1 Variables del programa de configuracin y monitoreo. .................................... 143 Tabla E.1 Lista de componentes de la tarjeta principal...................................................... 146 Tabla E.2 Lista de componentes de la tarjeta de procesamiento ........................................ 148 Tabla E.3 Lista de componentes de la tarjeta de E/S de 4-20 mA ..................................... 148 Tabla E.4 Lista de componentes de la tarjeta de aplicacin............................................... 149 Tabla E.5 Costo total de la tarjeta programable ................................................................. 149

vii

ACRONIMOS Y SIGLAS A/D Analgico/digital ADC Analog-digital converter (Convertidor analgico-digital) ADCON0 Registro 0 de control del convertidor analgico-digital ADCON1 Registro 1 de control del convertidor analgico-digital ADFM Bit selector de formato de resultado del convertidor analgico-digital ADRESH Byte alto del registro de resultado del convertidor analgico- digital ADRESL Byte bajo del registro de resultado del convertidor analgico- digital bms Bit menos significativo CA Corriente alterna CAN Controller Area Network (Red de rea de controlador) CCP1 Terminal del mdulo 1 de captura, comparacin y modulacin por ancho

de pulsos CCP1CON Registro de control del mdulo 1 de captura, comparacin y modulacin

por ancho de pulso CCPR1L Byte bajo del registro 1 de captura, comparacin y modulacin por ancho

de pulso CD Corriente directa CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor (Semiconductor de oxido

de metal complementario) COP8 Control Oriented Processor (Procesador orientado a control) CP Contador de programa CPU Central processing unit (Unidad central de procesamiento) D/A Digital/analgico DAC Digital-analog converter (Convertidor digital-analgico) DIP Dual Inline Package (Encapsulado doble en lnea) DSC Digital signal controller (Controlador digital de seales) DSP Digital signal processor (Procesador digital de seales) E/S Entradas y salidas EEPROM Electrically erasable programmable read-only memory (Memoria de solo

lectura programable elctricamente borrable) EIA Electronic Industries Association (Asociacin de industrias de

electrnica) FFT Fast Fourier Transform (Transformada rpida de Fourier) gcc Gnu c compiler (Compilador C de gnu) GNU GNU is not Unix (GNU no es Unix) GPIB General purpose input board (Placa de entrada de propsito general) HCMOS High-density Complementary Metal-Oxide Semiconductor

(Semiconductor de oxido de metal complementario de alta densidad) ICD In-Circuit Debugger (Depurador en circuito) ICE In-Circuit Emulator (Emulador en circuito) IDE Integrated development environment (Ambiente integrado de desarrollo) IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers (Instituto para

ingenieros elctricos y electrnicos) IIC o I2C Inter Integrated Circuit (Interconexin de circuitos integrados)

viii

IrDA Infrared Data Association ISA Industry Standard Architecture (Arquitectura de estndar industrial) ISP In System Programming (Programacin en sistema) kHz KiloHertz LCD Liquid Crystal Display (Pantalla de cristal lquido) LED Light-Emitting Diode (Diodo emisor de luz) LPT Line Print Terminal (Terminal de lnea de impresora) mA MiliAmpere MHz MegaHertz MIDI Musical instrument digital interface (Interfaz digital de instrumento

musical) MIMO Multiple Input, Multiple Output (Mltiples entradas, mltiples salidas) MIPS Millions of Instructions per second (Millones de instrucciones por

segundo) MN Moneda nacional MOSFET Metal-Oxide Semiconductor field effect transistor (Transistor de efecto

de campo de semiconductor de oxido de metal) nF Nanofaradio PC Personal Computer (Computadora personal) PCI Peripheral Component Interconnect (Interconexin perifrica de

componentes) PCMCIA Personal Computer Memory Card Internacional Association (Asociacin

internacional de tarjetas de memoria de computadora personal) PDA personal digital assistant (Asistente digital personal) pF Picofaradio PI Proporcional integral PIC programmable integrated circuit (Circuito integrado programable) PLC Programmable logic controller (Controlador lgico programable) PLCC Plastic-Leaded Chip Carrier (Encapsulado de montaje superficial para

circuito integrado) PR2 Registro de perodo del temporizador 2 PWM Pulse Width Modulation (Modulacin por ancho de pulso) RAM Random access memory (Memoria de acceso aleatorio RC Resistencia-capacitor RISC Reduced Instruction Set Computer (Computadora con conjunto reducido

de instrucciones) ROM Read-only memory (Memoria de solo lectura) SCI Serial communications Interface (Interfaz de comunicacin serial) SCL Serial clock (Reloj serial) SD Secure digital SDA Serial data (Dato serial) SISO Single Input, Single Output (Una entrada, una salida) spbrg Registro generador de baudios SPI Serial Peripheral Interface (Interfaz perifrica serial) T2CON Registro de control del temporizador TMR2 TI Texas Instruments TIA Thanks In Advance

ix

TOSC Tiempo de oscilacin TTL Transistor-transistor logic (Lgica transistor-transistor) C Microcontrolador F Microfaradio UPS Uninterruptible power supply (Fuente de poder ininterrrumpible) s Microsegundo USART Universal synchronous/asynchronous receiver transmitter (Transmisor-

receptor universal sncrono/asncrono) USB Universal Serial Bus (Bus serie universal) VCD Volts corriente directa Wi-Fi Wireless Fidelity (Fidelidad inalmbrica)

x

NOMENCLATURA C Capacitor CPIN Capacitancia de entrada CRETEN Capacitancia de muestreo y retencin del DAC E(n) Error en tiempo discreto E(t) Error en tiempo continuo F Frecuencia fc Frecuencia de corte FOSC Frecuencia de oscilador hFE Ganancia de corriente IB Corriente de base IB(max) Corriente mxima de base IB(sat) Corriente de base cuando el transistor esta en saturacin IC(max) Corriente mxima de colector IC(sat) Corriente de colector cuando el transistor esta en saturacin If Corriente del fotodiodo en polarizacin directa IFUGA Corriente de fuga en la terminal debido a varias conexiones Imax Corriente mxima KI Ganancia integral KP Ganancia proporcional RIC Resistencia de interconexin R Resistencia Rs Impedancia de la fuente Rss Impedancia del interruptor interno de muestreo SS Interruptor de muestreo TACQ Tiempo mnimo de adquisicin TAMP Tiempo de establecimiento del amplificador TC Tiempo de carga del capacitor de retencin TCOFF Coeficiente de temperatura TI VAIN Voltaje analgico de entrada VBE(on) Voltaje entre base y emisor cuando el transistor esta en funcionamiento VCC Voltaje de alimentacin VCE(on) Voltaje entre colector y emisor cuando el transistor esta en funcionamiento VCE(sat) Voltaje entre colector y emisor cuando el transistor esta en saturacin VDD Voltaje del dispositivo Vef Voltaje eficaz Vf Voltaje de diodo en polarizacin directa Vinst Voltaje instantaneo Vp Voltaje pico VT Voltaje de umbral tmax Aumento mximo de temperatura c Frecuencia de corte

Diseo y construccin de una tarjeta programable Captulo 1. Introduccin de adquisicin, procesamiento de datos y control

1

CAPTULO 1. INTRODUCCIN


2

1.1. Antecedentes Los sistemas de adquisicin de datos se utilizan cada vez ms en laboratorios, industria y educacin. Puede ser slo para la lectura de las variables fsicas (presin, nivel, temperatura y flujo por ejemplo), para visualizar el estado de un proceso o bien, para el procesamiento de estas variables con la finalidad de controlar un proceso. Con un sistema de adquisicin de datos se puede obtener el valor de las variables fsicas. Tambin es posible llevar un registro de los valores de las variables del proceso. Muchos procesos industriales se monitorean y/o controlan con tarjetas de adquisicin de datos y una computadora, adems de graficadores y de registradores. La mayora de estas aplicaciones usan mdulos de adquisicin de datos compatibles con la computadora para adquirir datos y transferirlos directamente a la memoria de la computadora. Estos mdulos de adquisicin de datos pueden conectarse de forma interna (PCI, PXI) o externa (PCMCIA, USB, IEEE 1394 o RS232) a la computadora por alguno de los puertos disponibles, por ejemplo los que se describen en la seccin 1.3.3 de Mdulos de adquisicin de datos. 1.2. Descripcin del problema La mayora de las tarjetas de adquisicin de datos comerciales son de aplicacin especfica, esto es, operan adquiriendo y enviando informacin por medio del puerto serie, paralelo, USB o por los puertos ISA y PCI, etc., a una computadora, pero no pueden operar de forma autnoma. El trmino tarjeta autnoma se refiere a que la tarjeta puede por s misma (sin necesidad de la computadora), adquirir, procesar, calcular y enviar los valores de las acciones de control para la operacin de algn mecanismo o proceso. El trmino programable a que permite que el programa de control de la tarjeta pueda ser modificado para la aplicacin que se dese monitorear y/o controlar. En el Departamento de Ciencias Computacionales del cenidet se requiere del uso de tarjetas de adquisicin de datos que sean capaces de trabajar de forma autnoma para pruebas de interaccin con el entorno empleando visin elemental, esto es, empleando sensores digitales; de proximidad, infrarrojos, de color, etctera. De igual manera en algunos cursos de la Maestra en Mecatrnica se requiere de este tipo de tarjetas para la realizacin de prcticas. El grupo de visin artificial del cenidet est en condiciones de modelar y solucionar problemas de inspeccin elemental, pero no ha encontrado una tarjeta comercial de adquisicin de datos econmica que trabaje de forma autnoma y satisfaga las condiciones necesarias para poder aplicar los algoritmos de control e interactuar con un proceso.


3

1.3. Estado del arte de sistemas de adquisicin, procesamiento de datos y control de procesos

En esta seccin se describen los diferentes sistemas empleados slo para adquisicin de datos o bien, para la adquisicin, procesamiento de datos y control, as como las partes que los conforman. Se denomina sistema de adquisicin de datos al conjunto de elementos empleados para medir una o varias seales analgicas o digitales. Las etapas de un sistema de adquisicin, procesamiento de datos y control son:

Transductores y sensores Acondicionadores de seal Mdulo de adquisicin de datos Controlador (controlador lgico programable o PLC, computadora, asistente digital

personal, microcontrolador) 1.3.1. Transductores y sensores La adquisicin de datos comienza con el fenmeno fsico a ser medido. Este fenmeno fsico podra ser la temperatura de un recinto, la intensidad de una fuente luminosa, la presin dentro de una cmara, la fuerza aplicada a un objeto, etctera. Un sistema de adquisicin de datos efectivo puede medir todos estos diferentes fenmenos. Un transductor es un dispositivo que convierte de un tipo de energa a otro. El sensor es un transductor que convierte una magnitud fsica a otra para facilitar su medicin, especficamente a una seal elctrica para mdulos de adquisicin de datos. La capacidad de un sistema de adquisicin de datos para medir diferentes fenmenos depende de los sensores. Los sensores se clasifican de acuerdo al tipo de seal de salida en dos grupos:

Sensores digitales Sensores analgicos

Un sensor digital es aquel que entrega una salida del tipo discreta. Los sensores digitales entregan una salida de tipo binaria las cuales poseen dos estados posibles (0 y 1). Los sensores digitales ms comunes son:

Interruptor, botn o pulsador. Microinterruptor. Sensores infrarrojos optoacoplados.

o De reflexin. (utilizados para detectar la presencia de objetos) o De ranura. (utilizado en encoders)


4

Un sensor analgico es aquel que puede entregar una salida variable dentro de un determinado intervalo; por ejemplo, entre 0 y 5 Volts. Los sensores analgicos ms comunes son:

Resistencia variable. Sensor de temperatura. Fotorresistencia. (Mide la intensidad de la luz)

1.3.2. Acondicionadores de seales El problema de varios transductores es que generan seales demasiado difciles o peligrosas de medir directamente con un mdulo de adquisicin de datos. Por ejemplo, cuando se trabaja con alto voltaje, en ambiente con ruido elctrico, con seales extremadamente altas o bajas o para la medicin simultnea de varias seales. Es por esto que es necesario acondicionarlas para que el mdulo de adquisicin de datos pueda medirlas con mayor precisin. Este proceso es conocido como acondicionamiento de seales e incluye funciones como amplificacin, atenuacin, filtrado, aislamiento elctrico y multiplexeo. 1.3.3. Mdulos de adquisicin de datos La mayora de los mdulos de adquisicin de datos tienen entradas, tanto analgicas como digitales y funcionan solamente con conexin a la computadora. Estos mdulos operan nicamente en lazo abierto para el monitoreo de variables. Otros mdulos con conexin a la computadora tienen tanto entradas como salidas (analgicas y digitales). stas no pueden ser programadas para calcular una accin de control. La activacin de las salidas depende de las acciones de control provenientes de la computadora. Ver figura 1.1.

Figura 1.1 Mdulo de adquisicin de datos.

Algunos equipos pueden estar monitoreando las variables de un proceso y guardar los datos en una memoria de tipo Flash, poder sustituir esta memoria y conectarla en una computadora para descargar los datos almacenados.

Seales

enviadas a la PC

Seales

recibidasdesde la

PC

Seales de entrada

Seales de salida

Acondicionamiento de seales


5

Otros equipos de adquisicin de datos pueden aplicar un procesamiento matemtico a una seal de entrada (por ejemplo la transformada rpida de Fourier) pero esta caracterstica es programada de fbrica y slo puede ser configurada. Un sistema de adquisicin, procesamiento de datos y control tiene: entradas y salidas (tanto analgicas como digitales), conexin opcional a un controlador y esencialmente cuenta con un controlador interno que permite el procesamiento de los datos de entrada y tomar decisiones sin la necesidad de un controlador externo. Ver figura 1.2.

Figura 1.2 Diagrama a bloques de un sistema de adquisicin, procesamiento de datos y control.

Respecto a los mdulos de adquisicin de datos, stos pueden clasificarse en dos grandes grupos: las tarjetas internas, conectadas internamente a un bus de una computadora como el bus PCI; y los mdulos externos, que se conectan a la computadora por medio de un puerto de comunicacin como el puerto paralelo, el puerto serie RS232, el puerto Firewire y el puerto USB, el cual es el ms usado actualmente. Actualmente, las tarjetas de adquisicin de datos se aplican en la industria, existen varias empresas que se dedican a la fabricacin de dichas tarjetas en una amplia variedad de caractersticas y precios. Las caractersticas ms importantes de las tarjetas de adquisicin de datos son:

Tabla 1.1 Caractersticas ms importantes de las tarjetas de adquisicin de datos.

Nmero de entradas/salidas Cantidad de entradas/salidas disponibles. Tipo de entradas/salidas La seal que procesa puede ser analgica o digital. Resolucin Valor mnimo que puede identificarse de una seal

analgica. Intervalo Los niveles de voltaje o corriente permitidos en la

entrada/salida. Frecuencia de muestreo La cantidad de muestras adquiridas en un segundo. Puerto de conexin El puerto por el que la tarjeta se conecta a la PC o a otra

tarjeta.

Opto acopla dores

Controlador interno

Seales

enviadas a la PC

Seales

recibidasdesde la

PC

Opto acopla dores

Acondicionamiento

de seales de

entrada

Seales de salida


6

En la tabla 1.2 se muestran algunas tarjetas comerciales de adquisicin de datos. Tabla 1.2 Sistemas comerciales de adquisicin de datos.

DI7

10

9-36

--

Tarje

ta S

D

rem

ovib

le

1MB

1

GB

16

14

4,80

0

10

--

-- 8

0 a

5

USB

/E

THER

NET

$540

0 a

$870

0

DA

TAQ

In

stru

men

ts

DI-

148U

USB

--

-- 8 10

14,4

00

10

--

-- 6

0 a

5

USB

$550

DA

TAQ

In

stru

men

ts

DI-

158

USB

--

-- 4 12

14,4

00

10

2 12

4

0 a

5

USB

$1,1

00

DA

TAQ

In

stru

men

ts

DI-

154R

S

RS2

32

--

-- 4 12

240

10

--

--

--

--

RS2

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$1,6

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7

1.3.4. Controladores Las funciones del controlador de un sistema de adquisicin de datos son:

Visualizar las variables provenientes de los sensores. Procesar las seales de entrada. Calcular una accin de control. Registrar y/o graficar las seales de entrada.

Los principales controladores para sistemas de adquisicin de datos son:

Controlador lgico programable (PLC) Computadora Asistente digital personal (PDA) Microcontroladores

1.3.4.1. Puertos para los mdulos de adquisicin de datos Los mdulos de adquisicin de datos pueden utilizar uno o varios puertos para comunicarse con un controlador o con otros dispositivos. En trminos de computacin, un puerto es una forma genrica de denominar a una interfaz por la cual diferentes tipos de datos pueden ser enviados y recibidos. La interfaz puede ser fsica o a nivel software (por ejemplo, los puertos que permiten la transmisin de datos entre diferentes computadoras). En la tabla 1.3 se muestran los puertos disponibles ordenados por medio de transmisin (almbrico o inalmbrico), tipo de transmisin (paralelo o serie) y velocidad de transmisin.


8

Tabla 1.3 Comparacin de puertos de comunicacin. [1]

Puerto Formato Nmero

mximo de dispositivos

Longitud mxima

(m)

Velocidad mxima (bits/s)

Aplicacin tpica

LPT Paralelo 2 3-9 8M Impresoras, escaners, unidades de disco

IEEE-488 (GPIB) Paralelo 15 18 8M Instrumentacin

RS-232 (EIA/TIA-232

Serial asncrono 2 15-30

20k (115k con hardware

extra)

Modem, ratn, instrumentacin

MIDI Lazo de corriente serial 2 15 31.5k Msica, control de espectculos

Microwire Serial sncrono 8 3 2M Comunicacin entre microcontroladores

SPI Serial sncrono 8 3 2.1M Comunicacin entre microcontroladores

I2C Serial sncrono 40 5.5 3.4M Comunicacin entre microcontroladores

USB Serial asncrono 127 5 1.5M, 12M,

480M

Ratn, unidad de disco, modem, audio

RS485 (TIA/EIA-485)

Serial asncrono

32 cargas unitarias 1220 10M

Sistemas de adquisicin de datos y de control

Ethernet Serial 1024 490 10M/100M/1G PC en red IEEE-1394 (FireWire)

Serial 64 4.5 400M Video, almacenamiento masivo

IrDA Serial asncrono infrarrojo

2 1.8 115k Impresoras, asistente digital personal (PDA)

Bluetooth Serial radiofrecuencia 32 10 723k Telfonos celulares, PDAs, videocmara

Wi-Fi (IEEE 802.11x)

Serial radiofrecuencia 60 11M, 54M PC en red


9

1.4. Propuesta de solucin Con la finalidad de resolver problemas tanto de adquisicin de datos y para controlar diversos procesos con un solo mdulo se plante:

Disear y construir una tarjeta programable de adquisicin, procesamiento de datos y control que funcione de manera autnoma con base en un programa contenido en un microcontrolador, y que pueda controlar una amplia variedad de procesos. Gracias a las caractersticas propias del microcontrolador, los puertos digitales de la tarjeta podrn configurarse por software de acuerdo a las necesidades de un proceso determinado.

Desarrollar los programas necesarios para la interaccin del microcontrolador con

los dems componentes de la tarjeta, la adquisicin, procesamiento de los datos, el clculo de los valores de la accin de control y el envo de estos valores para el control de procesos especficos.

1.4.1. Objetivos 1.4.1.1. Objetivo general

Disear y construir una tarjeta programable y autnoma de adquisicin, procesamiento de datos y control, con opcin de conexin a la computadora o a otra tarjeta similar.

1.4.1.2. Objetivos especficos

Revisar y seleccionar el microcontrolador a utilizar. Revisar y seleccionar el protocolo de comunicacin con la PC de acuerdo a los

requerimientos de la tarjeta. Disear los diagramas electrnicos de la tarjeta programable de adquisicin,

procesamiento de datos y control. Realizar el programa de monitoreo y control de la tarjeta programable de

adquisicin, procesamiento de datos y control. Construir la tarjeta programable de adquisicin, procesamiento de datos y control. Verificar el funcionamiento y la versatilidad de la tarjeta controlando tres procesos

diferentes. 1.4.2. Metodologa de solucin

1. Revisar, estudiar y analizar el estado del arte y de la prctica en torno a la adquisicin y control A/D. As como de los protocolos estndar de comunicacin a la PC.

2. Estudiar y conocer los diferentes tipos de microcontroladores existentes en el mercado, su uso, funcionalidad y aplicabilidad en el desarrollo del proyecto.

3. Disear e implementar los circuitos electrnicos para la tarjeta, y de ser necesario, tambin de los dispositivos sensores.


10

4. Disear e implementar el software para el control y monitoreo de las entradas y salidas de la tarjeta.

5. Disear un plan de pruebas y realizar las pruebas con diferentes configuraciones de la tarjeta (conectado a la PC y en forma autnoma).

6. Evaluar el funcionamiento global de la herramienta. 7. Aplicar ajustes a la herramienta en caso de que los resultados no sean los esperados.

1.4.3. Aportacin o contribucin Se empezar en la Coordinacin de Mecatrnica del cenidet a desarrollar una tecnologa propia de tarjetas programables. Se contar con una tarjeta programable de adquisicin, procesamiento de datos y control, econmica (no ms de $ 1,200 de costo de componentes), fcil de programar (en lenguaje C) y documentada, para aplicaciones a nivel laboratorio, para la realizacin de prcticas en los Departamentos de Electrnica y ciencias computacionales y la Coordinacin de Mecatrnica. Se usar como base para el desarrollo de trabajos de la coordinacin de Mecatrnica y con el grupo de visin artificial del Departamento de Ciencias Computacionales del cenidet. 1.5. Organizacin de la tesis La tesis se encuentra dividida en 7 captulos distribuidos de la siguiente manera: En el captulo 1 se encuentran los antecedentes, la descripcin del problema, el estado del arte de sistemas de adquisicin de datos y control, la propuesta de solucin con los objetivos y la metodologa de trabajo. El captulo 2 describe las necesidades de las plantas de muestra consideradas para el desarrollo de la tarjeta programable, adems de la descripcin funcional de mdulos deseables en la tarjeta. El captulo 3 abarca el diseo electrnico de la tarjeta donde se describen los circuitos electrnicos que conforman la tarjeta programable. El captulo 4 consta de la construccin, ensamble y pruebas de las tarjetas de circuito impreso. En el captulo 5 se describe el diseo mecnico y elctrico, construccin y algoritmo de control de cada una de las plantas a controlar. El captulo 6 muestra la experimentacin y los resultados obtenidos de la aplicacin de la tarjeta programable controlando 3 plantas. El captulo 7 presenta las conclusiones de la elaboracin del presente proyecto de tesis.

Diseo y construccin de una tarjeta programable Captulo 2. Determinacin de las caractersticas de adquisicin, procesamiento de datos y control funcionales de la tarjeta programable

11

CAPTULO 2. DETERMINACIN DE LAS CARACTERSTICAS FUNCIONALES DE

LA TARJETA PROGRAMABLE


12

2.1. Recursos requeridos por plantas o procesos

La especificacin de la tarjeta programable y la seleccin del microcontrolador se definieron de acuerdo a los requerimientos de cinco plantas o procesos tpicos a controlar. Las plantas que se consideraron son: una incubadora, una banda transportadora, un microbot seguidor de lnea, una plataforma de paneles solares y un brazo robtico. Los recursos requeridos por las plantas se indican en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Recursos requeridos por plantas o procesos.

Planta o proceso

Recursos Incubadora Banda transportadora Microbot

Plataforma de paneles solares

Brazo robtico

Tipo de proceso SISO MIMO MIMO MIMO MIMO

Valor mximo + 10%

Analgicas 1 - 3 - - 4 Entradas Digitales - 2 3 13 8 14 Digitales 1 - - - - 1 Motor paso a paso - - 2 - - 3 Salidas Motor CD (PWM) - 2 - 2 4 5

Tiempo de respuesta requerido (segundos) 2 0.5 0.5 1 1E-05 1E-06

Precisin en entradas analgicas 1 % - - - - 0.5 %

Memoria de programa (Bytes) 90 150 300 1500 6000 8000

Al valor mximo de cada requerimiento se le agreg aproximadamente un 10 % adicional para tener un margen de seguridad y obtener las caractersticas preliminares de la tarjeta programable. 2.2. Microcontroladores y controladores de seal digital En la presente seccin se describen los principales microcontroladores utilizados en Mxico, adems de los nuevos controladores con caractersticas tanto de microcontroladores como de procesadores de seal digital (DSP). Estos dispositivos se consideran ms aptos para la solucin del problema por sus destacables caractersticas de funcionamiento adems de pertenecer a los principales distribuidores de componentes electrnicos en Mxico. 2.2.1. Microcontroladores Los sistemas de control embebidos ms pequeos usan microcontroladores como su procesador, con la ventaja de que stos incorporan componentes que tienen la funcionalidad de una computadora en un circuito integrado. Un microcontrolador est constituido por una Unidad Central de Procesamiento (CPU), una pequea cantidad de memoria interna (ROM y/o RAM), y una forma de entradas y salidas (E/S), las cuales estn implementadas como subsistemas. Estos subsistemas proporcionan la funcionalidad adicional para el procesador y son comunes entre varios procesadores.


13

Las E/S ms comunes son de tipo digital. Estas se agrupan en puertos y pueden ser configuradas por software como entrada o salida. Las terminales configuradas como entradas pueden ser usadas para leer el estado de interruptores, botones pulsadores o de otro dispositivo. Las terminales configuradas como salidas pueden ser utilizadas para encender o apagar dispositivos externos o transmitir estados a otro dispositivo. Varios microcontroladores tienen otros subsistemas adems de las E/S digitales, pero si no se requiere la funcionalidad de dichos subsistemas se proporciona la capacidad de convertir las terminales de stos a E/S digitales. Para un diseador de sistemas, esto da gran versatilidad en como usar un microcontrolador dentro de una aplicacin. Varios microcontroladores tienen adems entradas analgicas, lo que permite muestrear sensores para propsitos de monitoreo o registro. Algunos tienen puertos seriales que les permiten ser comunicados con una computadora u otro microcontrolador. Las formas estandarizadas de interfaz serial, como la Interfaz Perifrica Serial (Serial Peripheral Interface o SPI) y la Interconexin de Circuitos Integrados (Inter-Integrated Circuit o I2C), proporcionan una manera sencilla de expandir la funcionalidad del microcontrolador. La mayora de microcontroladores tienen temporizadores y contadores. stos pueden ser usados para generar interrupciones internas a intervalos regulares, para generar disparos a dispositivos externos al microcontrolador o para proporcionar pulsos de control para motores. Alternativamente pueden ser usados para contar disparos externos (pulsos) de otro dispositivo. La mezcla de subsistemas de E/S que tienen los microcontroladores puede variar considerablemente. Algunos microcontroladores estn dirigidos para control digital simple y pueden tener solamente E/S digitales. Otros pueden estar dirigidos a aplicaciones industriales y pueden tener E/S digitales, entradas analgicas, control de motores y comunicacin con otros dispositivos de control. La seleccin de un microcontrolador (ya que hay literalmente miles de familias disponibles de varios fabricantes) depende de las necesidades de procesamiento y los requerimientos de comunicacin. Los microcontroladores ms comunes en Mxico son los PIC de Microchip, los 68HCxx de Motorola, los COP8 de National y los AVR de Atmel, que son los que se presentan en la tabla 2.2.


14

Tabla 2.2 Caractersticas tcnicas de los microcontroladores.

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15

2.2.1.1. National COP8 El microcontrolador COP8 es un circuito integrado fabricado por National Semiconductor. Las siglas COP8 se refieren a un Procesador Orientado al Control de 8 bits. La familia del COP8 se divide en cuatro grandes grupos que son:

Familia Bsica en Mscara ROM Familia Caracterstica en Mscara ROM Familia OTP Familia S

La familia que interesa es la familia S subfamilia SB/CB porque es la nica que posee memoria de programa tipo Flash. Hasta el momento slo hay versiones de 32 kbytes en Flash y con conversor analgico a digital (ADC) (COP8CB) y sin ADC (COP8SB). Los encapsulados son de tipo PLCC (Plastic-Leaded Chip Carrier, encapsulado de montaje superficial para circuito integrado) de 44 y 68 terminales. Esta familia del COP8 pertenece al ncleo de la familia caracterstica de alta escala de integracin. La caracterstica particular del COP8CB es el comportamiento de la memoria FLASH, ya que puede actuar como memoria virtual EEPROM (es decir, desde el programa de usuario puede grabar datos en la misma memoria). Aunado a esta caracterstica se tiene una unidad de conversin analgica-digital (COP8CB), temporizadores de alta velocidad, ocho puertos, unidad de comunicacin serial USART (transmisin y recepcin sncrona y asncrona universal) y reinicio por bajo voltaje de alimentacin. Se temporiza con cristales de hasta 20MHz y es ISP (In System Programming, se puede programar el microcontrolador en circuito). [2] 2.2.1.2. Microchip PIC A finales de los 70s, General Instruments tena un procesador de 16 bits conocido como CP1600. ste era grande y pas al olvido perdiendo terreno frente al 8086 de Intel y el 68000 de Motorola. El problema con el CP1600 fue que tena capacidad de E/S limitada, y entonces General Instruments dise un procesador ms pequeo para actuar como un controlador de E/S. La idea era que este controlador poda proporcionar no solamente las E/S para el CP1600, sino que adems ser un procesador permitiendo proporcionar algn grado de control inteligente. Este procesador fue llamado Controlador de Interfaz Perifrica (Peripheral Interface Controller) o PIC. El CP1600 desapareci pero la pequea compaa existe. A mediados de los 80s, la divisin de microelectrnica de General Instruments se convirti en Microchip y el procesador PIC fue su producto central. Los PICs son ampliamente usados en los controles de la consola de juegos Playstation de Sony, juguetes infantiles, aparatos domsticos y sistemas industriales. La arquitectura original del PIC tiene solamente un acumulador (conocido como registro de trabajo o registro w) y de 25 a 368 bytes de RAM en los procesadores originales. El byte


16

menos significativo del contador de programa, el registro de estado y varios registros de control estn ubicados en la parte baja del espacio RAM y pueden ser accesados por operaciones de movimiento de memoria. La parte superior de la memoria RAM es para datos. Microchip se refiere al espacio RAM como registros aunque tienen funcionalidad limitada como registros reales. Son principalmente para almacenamiento de datos. Aparte de algunas excepciones, el PIC no tiene buses externos y es una computadora contenida dentro de un circuito integrado. La expansin es posible usando las interfases perifricas del microcontrolador (SPI e I2C) o los puertos digitales de E/S. El PIC se destaca de otros microcontroladores para aplicaciones en las que el tamao y el consumo de potencia son crticos. El PIC es de tipo RISC, es decir, est basado en un conjunto reducido de instrucciones. La arquitectura es Harvard, en la cual el programa y los datos se encuentran en memorias independientes. La memoria de datos es de 8 bits, mientras que la memoria de cdigo es de 12 o 16 bits dependiendo de la familia de PIC. [3] El conjunto de microcontroladores PIC se distribuye en cuatro familias [4]:

Bsica (PIC12C5xx y PIC16C5x) Media (PIC12C6xx y PIC16Cxx) Alta (PIC17Cxxx) Mejorada (PIC18Cxxx)

El ambiente de desarrollo de software de Microchip (MPLAB) proporciona un ensamblador, un simulador y software para grabar el cdigo en los microcontroladores. MPLAB puede descargarse gratuitamente del sitio Web de Microchip (http://www.microchip.com). Existen varios compiladores del lenguaje C comerciales (CCS, PICC, C18) para los PIC de los que pueden encontrarse versiones de demostracin en la pgina oficial de cada compilador. 2.2.1.3. Atmel AVR El AVR fue desarrollado en Noruega y es producido por ATMEL. Es un microcontrolador RISC con arquitectura Harvard diseado para una rpida ejecucin y un bajo consumo de potencia. Tiene 32 registros de 8 bits de propsito general y con 118 instrucciones provee un ambiente de programacin verstil. En muchos AVRs, la pila se encuentra en la memoria general. Puede entonces ser manipulada por instrucciones y no tiene lmite de tamao. El AVR tiene los espacios de memoria de programa y datos separados y soporta un espacio de direccin de hasta 8M. [3]


17

Hay tres familias bsicas dentro de la arquitectura AVR:

ATtiny, para aplicaciones de pequea escala. AT90xxxx, que es la familia original. ATmega, para aplicaciones complejas.

Para el desarrollo de software, se dispone de un puerto de gcc (compilador de C desarrollado en el proyecto GNU) para el AVR. ATMEL proporciona un ensamblador, un simulador y software para grabar los programas en los microcontroladores. El software de ATMEL se puede descargar gratuitamente en su sitio Web (http://www.atmel.com). 2.2.1.4. Motorola HC11 / HC912 El HCMOS MC68HC11A8 es un microcontrolador de 8 bits con capacidades perifricas integradas altamente sofisticadas. Un diseo completamente esttico y un proceso de fabricacin de semiconductor oxido-metal complementario de alta densidad (High-density Complementary Metal-Oxide Semiconductor o HCMOS) permiten dispositivos de serie E para operar en frecuencias de 3 MHz a corriente directa, con bajo consumo de potencia. La tecnologa CMOS de alta densidad utilizada en el MC68HC11A8 combina el menor tamao y mayores velocidades con baja potencia y alta inmunidad al ruido de CMOS. Los sistemas de memoria integrados incluyen 8 Kbytes de ROM, 512 bytes de EEPROM y 256 bytes de RAM esttica. Ms funciones perifricas estn dentro del chip. Se incluye un conversor analgico a digital de 8 canales con resolucin de 8 bits, adems de una interfaz de comunicacin serial asncrona (SCI) y una interfaz perifrica serial sncrona (SPI). El sistema temporizador principal de 16 bits tiene tres lneas de entrada de captura, cinco lneas de salida de comparacin y una funcin de interrupcin de tiempo real. Un subsistema acumulador de pulsos de 8 bits puede contar eventos externos o medir periodos externos. La circuitera de auto monitoreo est incluida en el circuito integrado para proteger contra errores del sistema. Un sistema de perro guardin (watchdog) de operacin apropiada protege contra fallas por software. Un sistema de monitoreo de reloj genera un reinicio al sistema en caso de que se pierda la seal de reloj o se ejecute demasiado lento. Se dispone de dos modos de operacin controlados por software, WAIT y STOP, para ahorrar energa. [5] El MC68HC912 es un microcontrolador de 16 bits compuesto de perifricos estndares dentro del chip. El bus externo multiplexado puede operar en modo reducido de 8 bits para interconectar con una memoria de 8 bits en sistemas de menor costo. [6]


18

2.2.2. Controladores de seal digital En la actualidad cada vez ms se empieza a desarrollar la tecnologa mezclada entre microprocesadores y DSP's. Diversas son las razones para que se produzca esta integracin, sin embargo, es posible identificar una en particular: los requerimientos de control en tiempo real bajo condiciones cada vez ms exigentes en cuanto a necesidad de clculo han llevado a los fabricantes de microcontroladores (Microchip, ST, etc.) a integrar a sus microprocesadores caractersticas de DSP (unidades de clculo paralelas, ejecucin paralela de instrucciones o pipeline, etc.) y por el otro lado los fabricantes de DSP's (Texas Instruments, Motorola, etc.) empiezan a utilizar las caractersticas de microcontroladores (conversores A/D, puertos digitales E/S, bloques de modulacin por ancho de pulso o PWM) integrndolas dentro del DSP. Estos nuevos dispositivos son nombrados controladores de seal digital. Un controlador de seal digital (Digital Signal Controller o DSC) es un controlador incrustado en un solo chip que integra los atributos de control de un microcontrolador con la eficiencia y rendimiento computacional de un procesador de seal digital. 2.2.2.1. Texas Instruments C2000 La plataforma TMS320C2000 de controladores de seal digital establece el estndar de desempeo e integracin perifrica ofreciendo una combinacin nica de tecnologa lder en DSPs de Texas Instruments con la integracin de perifricos y facilidad de uso de microcontroladores. La familia TMS320C24x de controladores de seal digital ofrece de 20 a 40 MIPS de desempeo DSP junto con el control y facilidad de uso de un microcontrolador con memoria Flash o ROM integrada y son ideales para implementar algoritmos de control sofisticados en aplicaciones sensibles de costo y limitados de espacio como productos de lnea blanca. Al igual que el C28x, el C24x ofrece seguridad total de cdigo para su propiedad de cdigo intelectual. El conjunto de instrucciones de un ciclo permite calcular funciones matemticas complejas en tiempo real mientras que la arquitectura Harvard optimiza la matemtica vectorial, ideal para aplicaciones de control embebido. La arquitectura avanzada tipo Harvard del controlador C24x maximiza la potencia de procesamiento manteniendo dos estructuras de bus de memoria separadas, programa y datos, para ejecucin a velocidad completa. Esta mltiple estructura de bus permite la lectura de datos e instrucciones simultneamente. Las instrucciones soportan transferencia de datos entre los dos espacios. La familia TMS320C28x de controladores de seal digital son los primeros controladores de 32 bits basados en DSP de la industria con memoria Flash o ROM en tarjeta y desempeo hasta de 150 millones de instrucciones por segundo (MIPS). Centrados a motores y controles industriales y aplicaciones automotrices. El ncleo C28x es el ncleo de mayor desempeo de control optimizado y ofrece hasta 150 MIPS de ancho de banda computacional para manejar numerosos algoritmos de control sofisticado en tiempo real como control de velocidad sin sensores, PWM aleatorio y correccin del factor de potencia.


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El C28x es adems el ncleo ms eficiente de cdigo en la industria y su cdigo es completamente compatible con dispositivos actuales de la familia C2000. [7] Varias caractersticas nicas disponibles en el ncleo del controlador C28x fueron desarrolladas junto con el compilador C para ofrecer una excelente relacin de C a ensamblador de 1.1. El ncleo del controlador C28x fue diseado nicamente para soportar la librera IQ-math dando al diseador la comodidad del desarrollo de algoritmos de punto flotante a la perfeccin combinado con la efectividad de costos de una mquina de punto fijo. En la tabla 2.3 se comparan las dos familias de controladores C2000.

Tabla 2.3 Comparacin de familia de controladores C2000.

Parmetro Controladores de punto fijo C24x

Controladores de punto fijo C28x

Unidades

Frecuencia de trabajo 20 40 150 MHz Velocidad de procesamientos

20 40 150 MIPS

Arquitectura Punto fijo de 16 bits Punto fijo de 32 bits Memoria Flash / ROM 8 32 mil / 4 32 mil Hasta 128 mil / 4 mil Palabra RAM Hasta 2.5 mil 18 mil Palabra ADC 10 bit, 500 ns 12 bit, 80 ns Perifricos SCI, SPI, CAN SCI, SPI, CAN,

McBSP

Administrador de eventos

Hasta 16 PWM, E/S de propsito general, 4 temporizadores, CAP/QEP

16 PWM, E/S de propsito general, 7 temporizadores, CAP/QEP

Precio (por unidad en la compra de mil unidades)

22.00 180.00 64.00 182.00 Pesos mexicanos

2.2.2.2. Microchip dsPIC Los controladores de seal digital dsPIC abarcan un amplio campo de requerimientos de desempeo, hacindolo una arquitectura ideal para cualquier consideracin de un microcontrolador de 16 bits, DSP o incluso un microcontrolador de 32 bits. Los dispositivos fueron diseados para proporcionar un aspecto familiar a los usuarios de microcontroladores, especialmente a los usuarios de microcontroladores PIC. Las caractersticas de DSP fueron integradas para facilitar la adopcin por los nuevos usuarios de tecnologa DSP. Adems, la estructura de precio de los dispositivos dsPIC los hace aceptables para aplicaciones de control embebido. Los controladores de seal digital dsPIC fueron planeados desde las bases para proporcionar todas las caractersticas que un usuario esperara de un microcontrolador de 16 bits. Un conjunto rico de instrucciones asociado con amplios modos de


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direccionamiento opera sobre un conjunto de registros de trabajo de propsito general y una pila de software. El resultado es una muy buena eficiencia de compilacin en C. Todos los dispositivos usan tecnologa de memoria Flash para la memoria de programa y la EEPROM de datos, para ofrecer la mxima flexibilidad en tiempos de ciclos de manufactura. La tecnologa de autoprogramacin en circuito permite la actualizacin remota de la memoria de programa y la EEPROM de datos. La alta confiabilidad de la memoria Flash permite una retencin de datos por 40 aos y hasta un milln de ciclos de grabado y borrado a 85 grados centgrados. Un poderoso conjunto de caractersticas DSP permiten un desempeo competitivo. Un multiplicador de 17x17 bits en un solo ciclo, dos acumuladores de 40 bits y un registro de corrimiento cclico de 40 bits; ciclos de Do y Repeat; redondeo y truncamiento de resultados y soporte de un modo de direccionamiento especial para buffers circulares y transformadas rpidas de Fourier (FFTs). Adems, la arquitectura dsPIC soporta una estructura flexible de procesamiento de interrupciones. Cada dispositivo incluye un extenso conjunto de mdulos perifricos, incluyendo temporizadores, subsistemas seriales y canales de convertidor analgico a digital. Algunos dispositivos contienen perifricos avanzados orientados para aplicaciones especficas como control de motores, audio o conectividad a Internet. Por ltimo pero no menos importante, los dispositivos contienen lgica hardware que permite depuracin y programacin Flash en circuito sin remover el dispositivo de la tarjeta de aplicacin. Los dsPICs estn disponibles en dos categoras de velocidad: una versin de 20 MIPS y una versin de 30 MIPS. [8] Las familias en las que se dividen los dsPICs son:

Familia de propsito general. Esta familia es ideal para una amplia variedad de aplicaciones embebidas para microcontroladores de 16 bits. Adems, existen variantes con interfases codificadores-decodificadores (codecs) que se ajustan para aplicaciones de audio.

Familia de control de motores y conversin de potencia. Esta familia soporta aplicaciones de control de motores, como motores de CD sin escobillas, motores de induccin de una y tres fases y motores de reluctancia conmutativa. Son ideales para fuentes ininterrumpidas de poder (UPS), inversores, fuentes de poder conmutativos y correccin del factor de potencia.

Familia de sensores. Los productos de esta familia tienen opciones diseadas para soportar aplicaciones de control embebido de bajo costo y alto desempeo. Los encapsulados de 18 y 28 pines son diseados para ajustarse a aplicaciones de espacio crtico.


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2.2.3. Herramientas de desarrollo Las herramientas de desarrollo son los programadores, emuladores y tarjetas de evaluacin para cada microcontrolador. Los programadores son los dispositivos con los que se puede programar el microcontrolador. Los emuladores son herramientas que permiten probar el circuito de control y en donde se puede visualizar la ejecucin del programa, detenerlo en alguna lnea del cdigo de programa, as como modificar el contenido de memoria de datos. Las tarjetas de evaluacin son tarjetas con los circuitos necesarios para que el microcontrolador y sus perifricos funcionen. En cuanto a software, algunos fabricantes proporcionan de forma gratuita un entorno integrado de desarrollo (IDE) el cual consta bsicamente de un editor, un compilador y un simulador. El simulador tiene implementadas las funciones que realizara el microcontrolador de acuerdo al programa y a las condiciones establecidas como son el estado de las terminales del microcontrolador. Algunos fabricantes independientes de los microcontroladores desarrollan programas compiladores de un lenguaje de alto nivel al lenguaje ensamblador del microcontrolador. Buscando mantener la sencillez y economa para la programacin de los microcontroladores, se muestran las herramientas de desarrollo disponibles para cada microcontrolador desde algunos que puede armar el usuario hasta los comerciales. Para el microcontrolador COP8 de National Semiconductor, el ambiente de desarrollo es el WCOP8 IDE, y el programador es una interfaz sencilla que se conecta al puerto paralelo de la computadora y utiliza el programa FLASHWIN para cargar el programa al microcontrolador. Este programador utiliza la caracterstica ISP (In System Programming) en donde puede programarse el microcontrolador cuando se encuentra conectado en el circuito de trabajo. La emulacin se puede realizar con algunas herramientas comerciales del fabricante como son la unidad de emulador y programacin (Emulator and Programming Unit), el mdulo de depuracin (Debug Module) y el depurador ICE Master. Algunas herramientas pueden emular en tiempo real y pueden tanto emular como programar o emular solamente. El ambiente de trabajo utilizado para los microcontroladores PIC de Microchip es el MPLAB IDE, tambin puede comunicarse y trabajar con los programadores PICStart Plus, MPLAB PM3, PRO MATE II y los emuladores ICD 2, ICE 4000 y ICE 2000; todos estos productos comerciales de Microchip. Tambin existe una diversidad de programadores fciles de armar que se conectan al puerto paralelo o serie de la computadora. Algunos de estos programadores son el NOPP, el JDM, el PIPO 2, el PP2 y el GTP. Algunos pueden grabar el PIC estando conectado en el circuito de trabajo. Algunos programas que se utilizan con estos programadores son IC PROG, PONY PROG y WinPic 800. Los programas para los microcontroladores AVR de Atmel pueden ser desarrollados en AVRStudio o WinAVR. El programador ms sencillo es una interfaz con un buffer de proteccin conectado al puerto paralelo, este programador es utilizado junto con el AVRStudio. Algunas de las herramientas para emular los AVRs son ICE 40, ICE 50 y JTAG ICE 2.


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Para realizar la compilacin de los programas para el MC68HC11 se utiliza el IASM11, los programas disponibles para simulacin son SIM68 para DOS y WOOKIE para Windows. El ambiente de desarrollo MCUeZ sirve para editar y compilar los programas para el MC68HC12. Las tarjetas de evaluacin del MC68HC11 y MC68HC12 son sistemas mnimos y pueden conectarse a la computadora para programar dichos microcontroladores por medio del MCUeZ. Existen emuladores comerciales para estos microcontroladores como son BDM Multilink y Ciclone Pro. El Code Composer Studio es el ambiente de desarrollo utilizado para los controladores de seal digital C2000 de Texas Instruments. Utiliza el lenguaje C para la programacin de los dispositivos. Estos controladores ya vienen ensamblados en tarjetas de desarrollo o mdulos de evaluacin donde se pueden conectar a la computadora y programarse directamente. El fabricante vende distintos emuladores que pueden estar conectados en el bus PCI o en el puerto paralelo o USB. Los programas para el controlador dsPIC30F pueden ser editados, ensamblados y simulados en MPLAB IDE de la misma forma que para un PIC. Algunos de los programadores de Microchip pueden grabar los programas a los dsPIC como son MPLAB PM3 y MPLAB ICD 2. Los emuladores para los controladores dsPIC30F son MPLAB ICE 4000 y MPLAB ICD 2. Tambin el fabricante provee un software compilador de lenguaje C para los dsPIC30F que es el C30. Existen otros programas y herramientas de desarrollo fabricadas por empresas distintas a los fabricantes de los microcontroladores. Los productos pueden ser compiladores de lenguaje C o Pascal, simuladores, tarjetas de evaluacin, tarjetas de desarrollo, programadores y emuladores especficos para una familia de microcontroladores o solamente para un microcontrolador. 2.3. Proceso de seleccin del microcontrolador con el que opera la tarjeta

programable La eleccin de un microcontrolador para una aplicacin se dificulta usualmente por la existencia de una enorme variedad de opciones y caractersticas de los chips y otros factores de difcil ponderacin como son: existencia en el mercado, documentacin y apoyo tcnico, disponibilidad y costo de las herramientas de desarrollo, conocimiento de otros productos del fabricante, seriedad del proveedor y obtencin gratuita de muestras. Los criterios considerados para determinar el microcontrolador a utilizar en la tarjeta son:

1. Frecuencia de operacin.- Da una idea de la velocidad de procesamiento del microcontrolador.

2. Nmero de canales analgicos/digitales de entrada/salida.- Es la cantidad de variables analgicas/digitales de entrada/salida que tiene el microcontrolador.

3. Tamao de memoria de programa.- La capacidad en kilobytes para almacenar el programa de control.

4. Tamao de memoria de datos.


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La capacidad en bytes para almacenar datos medidos, datos procesados o valores calculados.

5. Tipo de encapsulado. Sirve para identificar la dimensin y tambin la disposicin de terminales para la realizacin en circuito impreso.

6. Nmero de canales analgicos/digitales de entrada/salida. Es la cantidad de variables analgicas/digitales de entrada/salida que tiene el microcontrolador.

7. Interfaz de comunicacin. Los estndares que permiten la comunicacin de la tarjeta programable con otros dispositivos (como la PC u otra tarjeta similar).

8. Costo. El precio por unidad de microcontrolador.

9. Lenguaje y/o compilador. Lenguaje en el que puede programarse y compiladores el microcontrolador

10. Disponibilidad de herramientas de programacin y desarrollo. Facilidad para conseguir o elaborar las herramientas de programacin y desarrollo.

11. Costo de herramientas de programacin y desarrollo. En las figuras 2.1, 2.2 y 2.3 se pueden comparar con facilidad los microcontroladores de acuerdo a la frecuencia de operacin, nmero de terminales de E/S y memoria de programa que posee cada uno. Se marca con una lnea para diferenciar cules microcontroladores tienen un valor adecuado para cada parmetro considerado de acuerdo a las necesidades descritas en la columna de valor mximo de la tabla 2.1. Las caractersticas principales de los microcontroladores estn concentradas en la tabla 2.2.

Figura 2.1 Comparacin de microcontroladores en cuanto a frecuencia de operacin.

Frecuencia de operacin (MHz)

24

120120

4040

20161086430

20

40

60

80

100

120

140

MC68

HC11

ATtin

y28

ATme

ga10

3

MC68

HC12

PIC16

F84

ST7L

ite0

PIC16

F877

PIC16

C765

PIC18

F452

TMS3

20LF

2407

A

dsPIC

30F

dsPIC

30F-

B

Frecuencia de operacin (MHz)

Requerimiento mnimo


24

Figura 2.2 Comparacin de microcontroladores en cuanto a nmero de terminales de E/S.

Figura 2.3 Comparacin de microcontroladores en cuanto a memoria de programa.

Numero de E/S

13

38

6368

413333333230

1311

0

10

20

30

40

50

60

70

80

ATtin

y28

PIC16

F84

ST7L

ite0

dsPIC

30F

ATme

ga10

3

PIC16

F877

PIC16

C765

PIC18

F452

MC68

HC11

TMS3

20LF

2407

A

MC68

HC12

dsPIC

30F-

B

Numero de E/S

Requerimiento mnimo

Memoria de programa (KB)

8

32 32

128

144

1 1 28

1624

10

20

40

60

80

100

120

140

160

PIC1

6F84

ST7L

ite0

MC68

HC11

ATtin

y28

PIC1

6F87

7

PIC1

6C76

5

PIC1

8F45

2

dsPIC

30F

MC68

HC12

TMS3

20LF

2407

A

ATme

ga10

3

dsPI

C30F

-B

Memoria de programa (KB)

Requerimiento mnimo


25

Para obtener el intervalo de la familia dsPIC30F, se graficaron dos elementos de esta familia, el ms austero y el ms completo. Los microcontroladores tiles para la mayora de las plantas o procesos son los que se encuentran en la parte superior de la lnea interrumpida de cada una de las tres grficas anteriores; dichos microcontroladores tienen un costo ligeramente menor al de algunos otros que cuentan con mejores caractersticas, por lo que se opt por seleccionar un microcontrolador que ofrezca mayores prestaciones a la tarjeta y con disponibilidad de informacin y apoyo tcnico sin que el costo del microcontrolador vare significativamente. Tambin se consider la utilizacin de nuevas tecnologas para tener referencias de consulta en el CENIDET. Con base en los valores de los criterios anteriormente mencionados, el microcontrolador que se considera idneo para el desarrollo de este proyecto es de la familia dsPIC30F, ya que proporciona mejores caractersticas a la tarjeta sin que la variacin del precio sea muy significativo y es una nueva tendencia en cuanto a microcontroladores que estn adquiriendo caractersticas de procesadores de seal digital (DSP). Se adquirieron los dsPIC30F pero no se consigui el programador de dsPICs y stos no se pueden programar con los programadores PICSTART Plus, TE-20 y EPIC. Por consecuencia se seleccion al PIC18F452 que tiene caractersticas cercanas al dsPIC30F como una velocidad de procesamiento de 10 MIPS comparado con 30 MIPS del dsPIC30F adems de que se puede adquirir fcilmente al contrario de los dsPIC que no haba venta al menudeo en Mxico. En la tabla 2.4 se muestra la comparacin del PIC18F452 y la familia dsPIC30F.

Tabla 2.4 Comparacin entre el PIC18F452 y el dsPIC30F.

Caractersticas PIC18F452 dsPIC30F Memoria de programa Flash 32 KBytes 12 144 KBytes Velocidad de procesamiento 10 MIPS 20 o 30 MIPS Nmero de terminales de entradas/salidas digitales 24 13

Nmero de terminales de ent

tesis tarjeta programable - cenidet.edu.mx felix vicente... · componente como tarjetas de...

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