UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
FACULTAD DE CIENCIAS DEPART DEPARTAMENTO AMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS CIEN CIAS INGENIERIA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES TRABAJO DE INVESTIGACIÓN:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO PARA LA SUPERVISIÓN DE PROCESOS DE CONTROL
AUTORES:
ING. FRANKLIN BARRA ZAPATA ING. OMAR ENRIQUE BARRA ZAPAT ZAPATA ING. PERCY HILARIO CASAS LAZO
PIURA 20 20
DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO PARA LA SUPERVISIÓN DE PROCESOS DE CONTROL F. Barra, O. Barra Departamento Departamento de Ciencias Ciencias - Facultad de de Ciencia s.
Resumen Actualmente el avance de las telecomunicaciones permite la realización de cosas que tiempo atrás solo se podían ver en la televisión. Ahora todos podemos saber que ocurre en el mundo tan solo conectando el computador al internet, desde tu casa u oficina, esto nos pone a pensar y decir, que ocurriría si en la universidad que posee algunas plantas de elaboración de productos lácteos, se podrían automatizar y conectar los sensores de la planta a una tarjeta electrónica que permita llevar los datos por red local a cualquier punto de la red, o también, colocar tarjetas electrónicas para la supervisión de los laboratorios y así implementar sistemas de seguridad, y saber lo que ocurre en cualquier parte de la universidad. s por ello que se presenta el proyecto de dise!o e implementación de un prototipo para la supervisión de procesos de control teniendo en cuenta una arquitectura totalmente abierta.
Abstrat "ndustrial #ontrol $aboratory of lectronic ngineering has no educational modules %&' such as traffic lights, par(ing lots, drill, change of rotation of an engine, control of a garage and control of a pastry blender. )hat is *hy the objective of this research *as the construction of these educational modules applicable to our reality. )he first step consisted in investigating ho* are & above as analyzing their physical dimensions %size and dimensions' and electronic components. )he second step *as the design of the & based on the above characteristics and then proceeded to correct errors. As a result, *e *ere able to operate, the & prepared interfaced *ith the +iemens $# +eries +) -. "t should be noted that the programs *ere conducted in the $# for each &. #urrently #urrently,, these & developed, are in operation and are part of the curriculum of the "ndustrial #ontrol laboratory laboratory..
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO PARA LA SUPERVISIÓN SUPERVISIÓN DE PROCESOS DE CONTROL Ca!"tu#$ %& Mar$ Te'r($ %.%
M(r$$ntr$ tr$#a)$res PIC $os "# son una familia familia de microcontrola microcontroladores dores tipo /"+# fabricados fabricados por &icrochip &icrochip )echno chnolo logy gy "nc. "nc. y deri deriva vado doss del del "#0 "#012 12 %véa %véase se la figu figura ra 0.0' 0.0',, orig origin inal alme ment ntee desarrollado por la división de microelectrónica de 3eneral "nstrument.
Figura 1.1. General Instrument PIC1650, imagen cortesía de wikipedia !ttp"##es$wikipedia$org !ttp"##es$wikipedia$org %$
l nombre actual actual no es un acrónimo. acrónimo. n realidad, realidad, el nombre completo completo es PICm(r$ , erip!eral al I nter n ter&a &ace ce C ontroller ontroller %controlador de aunque aunq ue generalment generalmentee se utiliza como P erip!er interfaz periférico'. l "# original se dise!ó para ser usado con la nueva unidad central de procesos de 01bits #01. +iendo en general una buena unidad central de procesos, ésta tenía malas prestaciones de ntrada4+alida, y el "# de 5 bits se desarrolló en 0672 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de ntrada4+alida a la unidad central de procesos. l "# utilizaba microcódigo simple almacenado almacenado en una memoria /8& para realizar estas tareas9 y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se trata de un dise!o /"+# que ejecuta una instrucción cada : ciclos del oscilador. n 0652 la división de microelectrónica de 3eneral "nstrument se separa como compa!ía independiente que es incorporada como filial %el 0: de diciembre de 0657 cambia el nombre a &icrochip )echnology y en 0656 es adquirida por un grupo de inversores' y el nuevo propietario canceló casi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayoría estaban obsoletos. l "#, sin embargo, se mejoró con memoria /8& %véase la figura 0.;' para conseguir un controlador con memoria programable.
cleos de control de motores, etc.' y con memoria de programa desde 20; a -;. palabras %una pala'ra corresponde a una instrucción en ensamblador, y puede ser 0;, 0: o 01 bits, dependiendo de la familia específica de "#micro'.
Figura 1.2. (ariedad (ariedad de microcontroladores PIC con memoria de programa )P*+, imagen cortesía de wikipedia !ttp"##es$wikipedia$org !ttp"##es$wikipedia$org %$
%.%.%. %.%.%. *ue+$ *ue+$ )e (nstru (nstru($ne ($ness ent$rn$ ent$rn$ )e !r$+rama !r$+rama('n ('n l microcontrolador "# usa un juego de instrucciones tipo /"+#, cuyo n>mero de instrucciones puede variar, variar, desde -2 para microcontroladores "# de gama baja a 7 para los "# de gama alta. $as instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de condicionamiento condicionamiento y de salto4retorno, implementación de interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada. &icrochip proporciona un entorno de desarrollo free*are %soft*are sin costo' llamado &$A? que incluye un soft*are de simulación y un ensamblador. 8tras empresas desarrollan compiladores # y ?A+"#. &icrochip también vende compiladores para los microcontroladores "# de gama alta %compilador #05 para la serie @05 y compilador #- para los ds"#' y se puede descargar una edición para estudiantes del compilador #05 que inhabilita algunas opciones después de un tiempo de evaluación. )ambién eiste un compilador que tiene como base el lenguaje ?A+"#, que se denomina "# ?A+"# /8, cuyo fabricante es microngineering $abs, "nc %httpB44***.melabs.com ' que ofrece un lenguaje amigable y fácil de usar.
%.%.-. %.%.-. Aru Aru(te (tetu tura ra entr entra# a# $a arquitectura del "# es sumamente minimalista. sta caracterizada por las siguientes prestacionesB prestacionesB •
Crea de código y de datos separadas %Arquitectura
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=n reducido n>mero de instrucciones.
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$a mayoría de las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo de ejecución %: ciclos de reloj'. =n solo acumulador %D', cuyo uso %como operador de origen' es implícito %no está especificado en la instrucción'. )odas )odas las posiciones de la memoria /A& funcionan como registros de origen y4o de destino de operaciones matemáticas y otras funciones. =na pila de hard*are para almacenar instrucciones de regreso de funciones.
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=na rela =na relati tiva vame mente nte pequ peque! e!aa cant cantid idad ad de espa espaci cioo de dato datoss dire direcc ccio iona nabl blee %típic %típicam ament ente, e, ;21 bytes bytes', ', eten etensib sible le a través través de manip manipula ulació ciónn de ban banco coss de memoria. l espacio de datos está relacionado con la unidad central de procesos, puertos, y los registros de los periféricos. l contador de programa esta también relacionado dentro del espacio de datos, y es posible escribir en él %permitiendo saltos indirectos'.
A diferencia de la mayoría de otros procesadores, no hay distinción entre los espacios de memoria y los espacios de registros, ya que la memoria /A& cumple ambas funciones, y ésta es normalmente referida como archivo de registros o simplemente, registros.
%.%. %.%./. /. Mem$ Mem$r( r(aa RAM RAM $os microcontroladores "# tienen una serie de registros que funcionan como una /A& de propósito general. $os registros de propósito especifico para los recursos de hard*are disponibles dentro del propio chip también están direccionados en la memoria /A&. $a direccionabilidad direccionabilidad de la memoria varia dependiendo de la línea de dispositivos, y todos los dispositivos "# tienen alg>n tipo de mecanismo de manipulación de bancos de memoria que pueden ser usados para acceder a memoria adicional. $as series más recientes de dispositivos disponen de funciones que pueden cubrir todo el espacio direccionable, independientemente del banco de memoria seleccionado. n los dispositivos anteriores, esto debía lograrse mediante el uso del acumulador. acumulador. $a memor memoria ia de datos datos eter eterna na no es direc directam tament entee direc direccio cionab nable le ecept eceptoo en alguno algunoss microcontroladores microcontroladores "# 05 de gran cantidad de pines.
%.%. %.%.0. 0. Tama1$ ma1$ )e )e !a#a !a#abr braa l tama!o de palabra de los microcontroladores "# es fuente de muchas confusiones. )odos los microcontroladores "# %ecepto los ds"#' manejan datos en trozos de 5 bits, con lo que se deberían llamar microcontroladores de 5 bits. ero a diferencia de la mayoría de las unidades centrales de proceso, el "# usa arquitectura
%.%.2. %.%.2. Pr$+rama Pr$+rama('n ('n )e# m(r$ m(r$$nt $ntr$# r$#a)$r a)$r PIC ara transferir el código de un ordenador al "# normalmente se usa un dispositivo llamado programador. $a mayoría de microcontroladores "# que &icrochip distribuye hoy hoy en día día inco incorp rpor oran an "#+ "#+ % In Circuit erial Programming , progra programac mación ión serie serie Programming , programación a bajo voltaje', lo que incorporada' o $F % .ow (oltage Programming permite programar el "# directamente en el circuito. ara la "#+ se usan los pines /?1 y /?7 %n algunos modelos pueden usarse otros pines como el 3 y 30 o el /A y /A0' como reloj y datos y el $/ para activar el modo programación aplicando un
voltaje de 0- voltios. isten muchos programadores de microcontroladores "#, desde los más simple simpless que dejan al soft*a soft*are re los detalles detalles de comuni comunicac cacion iones, es, a los más complejos, que pueden verificar el dispositivo a diversas tensiones de alimentación e implementan en hard*are casi todas las funcionalidades. &uchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos microcontroladores "# preprogramados como interfaz para enviar las órdenes al "# que se desea programar. programar. =no de los programadores más simples es el );, que utiliza la línea )G del puerto /+H;-; como alimentación y las líneas E)/ y #)+ para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador está en modo de programación. l soft*are de programación puede ser el "#prog, muy com>n entre la gente que utiliza este tipo de microcontroladores. ntornos de programación basados en inte interp rpre rete tess ?A+" ?A+"# # pone ponenn al alca alcanc ncee de cual cualqu quie iera ra proy proyec ecto toss que que pare pareci cier eran an ser ser ambiciosos. A continuación continuación mostramos una serie de programadores, simuladores y emuladoresB
Pr$+rama)$res& •
"#+tart lus %puerto serie y =+?'.
•
romate "" %puerto serie'.
•
&$A? &- %puerto serie y =+?'.
•
"#E; %puerto serie y =+?'.
•
"#E- %=+?'.
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"#Iit 0 %=+?'.
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"#Hrog 0.1?.
•
"#A) 0.;2 %puerto =+?;. para "#s y Atmel'.
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Dinic Dinic 5 %puerto paralelo, serie y =+?'.
•
"#Iit ; %=+?'.
•
"#Iit - %=+?'.
S(mu#a)$res& •
roteus H "+"+.
•
)ina.
Emu#a)$res& •
"#; %puerto paralelo, convertidor a =+? disponible'.
•
"#: %=+?'.
%.%.3. %.%.3. Carater Carater"st(a "st(ass +enera#es +enera#es )e# )e# m(r$$ntr m(r$$ntr$#a) $#a)$r $r PIC $os microcontroladores "# actuales vienen con una amplia gama de mejoras hard*are incorporadasB •
J>cleos de procesador procesador de 5401 5401 bits con Arquitectura
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&emoria @lash y /8& disponible desde ;21 bytes a ;21 (ilobytes.
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uertos de ntrada4+alida %típicamente a 2,2 voltios'.
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)emporizadores de 5401 bits.
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eriféricos serie síncronos y asíncronosB =+A/), =A/).
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#onversores analógico4digital analógico4digital de 5H0H0; bits.
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#omparadores #omparadores de tensión.
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&ódulos de captura y comparación D&.
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#ontroladores $#E.
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eriférico para comunicaciones "K#, +".
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&emo &emori riaa / /8& 8& inte intern rnaa con con dura duraci ción ón de hast hastaa un mill millón ón de cicl ciclos os de lectura4escritura.
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eriféricos de control de motores.
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+oporte de interfaz =+?.
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+oporte de controlador #AJ.
%.%.4. %.%.4. Var(a($nes r(a($nes )e# )e# m(r$ m(r$$ntr $ntr$#a) $#a)$r $r PIC PIC •
&icrocontroladores &icrocontroladores "# modernos $os viejos microcontroladores "# con memoria /8& o /8& se están renovando gradualmente por chips con memoria @lash. Así mismo, el juego de instrucciones original de 0; bits del "#012 y sus descendientes directos ha sido suplantado por juegos de instrucciones de 0: y 01 bits. &icrochip todavía vende versiones /8& y /8& de la mayoría de los microcontroladores "# para soporte de aplicaciones antiguas o grandes pedidos. +e pue puede denn con consid sidera erarr tres tres grande grandess gamas gamas de microc microcont ontrol rolado adores res "# en la actualidadB $os básicos % .ine'ase', los de medio rango % id *ange ' y los de alto !ig! per&or per&orman mance ce'. $os "#05 %véase la figura 0.-' son dese desemp mpe! e!oo % !ig! considerandos de alto desempe!o y tienen entre sus miembros a
microcontroladores "# con módulos de comunicación y protocolos avanzados %=+?, thernet, Ligbee por ejemplo'.
Figura 1.3. icrocontroladores icrocontroladores PIC1/F550, imagen cortesía de icrosstems )ngineering !ttp"##www$mse'il'ao$com !ttp"##www$mse'il'ao$com %$ •
#lones del "# or todos lados surgen compa!ías que ofrecen versiones del "# más baratas o mejoradas. $a mayoría suelen desaparecer rápidamente. =na de ellas que va perdurando es =bicom %antiguamente +ceni' que vende clones del "# que funcionan mucho más rápido que el original. 8pen#ores tiene un n>cleo del "#01@5: escrito en Ferilog.
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&icrocontroladores &icrocontroladores "# *ireless l micr microc ocon ontro trola lado dorr rf"# rf"# inte integr graa toda todass las las pres presta taci cion ones es del del "#m "#mic icro ro de &icrochip con la capacidad de comunicación *ireless =<@ para aplicaciones /@ de baja potencia. stos dispositivos ofrecen un dise!o muy comprimido para ajustarse a los cada vez más demandados requerimientos de miniaturización en aparatos electrónicos. Aun Aun así, no parecen tener mucha salida en el mercado.
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&icrocontroladores &icrocontroladores "# para procesamiento de se!al %ds"#' $os microc microcont ontrola rolador dores es ds"# ds"# son son el pen>l pen>ltim timoo lanzam lanzamien iento to de &icroc &icrochip hip,, comenzando a producirlos a gran escala a finales de ;:. +on los primeros microcontroladores "# con bus de datos inherente de 01 bits. "ncorporan todas las posibi posibilid lidade adess de los anter anterior iores es microc microcont ontrol rolado adores res "# y a!aden a!aden varias varias operaciones de procesamiento digital de se!ales implementadas en hard*are, como como multip multiplic licac ación ión con suma suma de acumul acumulado adorr % multipl-accumulate', 'arrel s!i&ting , 'it re2ersion o multiplicación 0101 bits. n la figura 0.2 se muestra una tarjeta para montar diversas aplicaciones basadas en el microcontrolador ds"# de &icrochip )echnologies %httpB44***.microchip.com'.
Figura 1.4. uestra de r&PIC r &PIC De2elopment 3it, imagen cortes ía de icroc!ip 4ec!nologies 4ec!nologies !ttp"##www$microc!ip$com %$ !ttp"##www$microc!ip$com %$
Figura 1.5. Imagen de la placa )plorer 16 De2elopment oard de icroc!ip 4ec!nologies 4ec!nologies !ttp"##www$microc!ip$com %$ !ttp"##www$microc!ip$com %$
Figura 1.6. Imagen de la placa ultimedia )pansion oard de icroc!ip 4ec!nologies 4ec!nologies !ttp"##www$microc!ip$com %$ !ttp"##www$microc!ip$com %$
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&icrocontroladores &icrocontroladores "# de -; bits %"#-;' &icrochip )echnology lanzó en noviembre del ;7 los nuevos micr icrocontroladores res de -; bits con capacidad <8+) =+?. stos microcontroladores permiten un procesamiento de información increíble con un n>cleo de procesador de tipo &:I. n la figura 0.1 se muestra una tarjeta de epansión para microcontroladores "# de -; bits.
%.-.
S(stema embeb()$ +eg>n +eg>n *i(ipe *i(ipedia dia,, un sistem sistemaa embeb embebido ido o empot empotrad radoo es un sistem sistemaa de comput computaci ación ón dise!ado para realizar una o algunas pocas funciones dedicadas frecuentemente en un sistema de computación en tiempo real. $os sistemas embebidos se utilizan para usos muy diferentes a los usos generales a los que se suelen someter a las computadoras personales. n un sistema embebido la mayoría de los componentes componentes se encuentran incluidos en la placa base %la tarjeta de vídeo, audio, módem, etc.' aunque muchas veces los dispositivos no lucen como computadoras, por ejemplo relojes de tai, registradores, contr controle oless de acce acceso so entre entre otras otras m>lti m>ltiple pless aplica aplicacio ciones nes.. or lo gen genera erall los sistem sistemas as embe embebi bido doss se pued pueden en prog progra rama marr dire direct ctam amen ente te en el leng lengua uaje je asse assemb mble lerr del del microc microcont ontrol rolado adorr incorp incorpora orado do sobre sobre el mismo mismo o bien, bien, utiliz utilizand andoo alg>n alg>n compil compilad ador or especifico, suelen utilizarse lenguajes como #, #MM y hasta en algunos casos ?A+"#. uesto que los sistemas embebidos se pueden fabricar por decenas de millares o por millones de unidades, una de las principales preocupaciones es reducir los costes. $os sistemas embebidos suelen usar un procesador relativamente peque!o y una memoria peque!a para reducir los costes. +e enfrentan, sobre todo, al problema de que un fallo en un elemento implica la necesidad de reparar la placa íntegra. $os sistem sistemas as embeb embebido idoss emple emplean an a menud menudoo perifé periféric ricos os con contro trolad lados os por interf interfac aces es síncronos en serie, que son de diez a cientos de veces más lentos que los periféricos de una computadora personal normal. $os primeros equipos embebidos que se desarrollaron fueron elaborados por "?& en los a!os 065.
&uchos sistemas embebidos embebidos son sistemas de tiempo real. =n sistema de tiempo real debe responder, dentro de un intervalo restringido de tiempo, a eventos eternos mediante la ejecución de la tarea asociada con cada evento. $os sistemas de tiempo real se pueden caracter caracterizar izar como blandos blandos o duros. duros. +i un sistema sistema de tiempo tiempo real blando no cumple cumple con sus restricciones de tiempo, simplemente se degrada el rendimiento del sistema, pero si el sistema sistema es de tiempo real duro y no cumple con sus restriccio restricciones nes de tiempo, tiempo, el sistema sistema fallará. ste fallo puede tener posiblemente consecuencias catastróficas. =n sistema embebido complejo puede utilizar un sistema operativo como apoyo para la ejecución de sus programas, sobre todo cuando se requiere la ejecución simultánea de los mismos. #uando se utiliza un sistema operativo lo más probable es que se tenga que tratar de un sistema operativo de tiempo real %/)8+', que es un sistema operativo dise! dise!ado ado y optimi optimizad zadoo para para mane manejar jar fuerte fuertess restric restriccio cione ness de tiempo tiempo asocia asociada dass con con eventos en aplicaciones de tiempo real. n una aplicación de tiempo real compleja la utiliz utilizaci ación ón de un sistem sistemaa ope operat rativo ivo de tiemp tiempoo real real multit multitare areaa pue puede de simpli simplifica ficarr el desarrollo del soft*are.
Figura 2.13: istema em'e'ido de )t!ernet de 4i''o 4ec!nolog 4ec!nolog !ttp"##www$ti''o$com%$ !ttp"##www$ti''o$com%$
%.-.%.%. C$m!$nentes )e un s(stema embeb()$ embeb()$
=n sistema embebido posee dos partes bien definidasB la unidad central y la unidad de comunicación comunicación con periféricos. •
La un()a) entra# es un microprocesador o microcontrolador o en todo caso un E+, es decir, la unidad que aporta capacidad de cómputo al sistema, pudiendo incluir memoria interna o eterna donde se incluirán los programas para su funcionamiento seg>n los requisitos del equipo. Además hay que tomar en cuenta que éste está relacionado íntimamente con un reloj u oscilador que es el encargado encargado de generar las se!ales para el funcionamiento del procesador.
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La un()a) )e $mun(a('n $n !er(56r($s es de vital importancia en los sistemas embebidos. $o normal es que el sistema pueda comunicarse mediante inte interf rfac aces es está estánd ndar ar de cabl cablee o inal inalám ámbr bric icas as.. Así un sist sistem emaa embe embebi bido do normalmente incorporará puertos de comunicaciones del tipo /+H;-;, /+H:52, +", "K#, #AJ, =+?, ", DiH@i, 3+&, 3/+, etc. ero no solo se comunica siguiendo protocolos de comunicación como los antes descritos, si no también debe tener las interfaces adecuadas adecuadas para comunicarse con dispositivos analógicos, digitales y otros actuadores, es así que, un sistema embebido puede incluir algunos módulos de entrada y salida, conversores A4E, filtros, entre otros.
%.-.%. %.-.%. A!#(a($ A!#(a($nes nes )e un s(stema s(stema embeb()$ embeb()$ $os lugares donde se pueden encontrar los sistemas embebidos son numerosos y de varias naturalezas. A continuación se eponen varios ejemplos para ilustrar las posibilidades de los mismosB •
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n una fábrica, para controlar un proceso de montaje o producción. =na máquina que se encargue de una determinada tarea hoy en día contiene numerosos circuitos electrónicos y eléctricos para el control de motores, hornos, etc. que deben ser gobernados por un procesador, el cual ofrece una interfaz persona N máquina para ser dirigido por un operario e informarle al mismo de la marcha del proceso. untos de servicio o venta %8+, Point +& er2ice'. $as cajas donde se paga la compra en un supermercado son cada vez más completas, integrando teclados numéri numéricos cos,, lector lectores es de cód código igoss de barras barras media mediante nte láser láser,, lector lectores es de tarjet tarjetas as bancarias de banda magnética o chip, pantalla alfanumérica de cristal líquido, etc. l sistema embebidos en este caso requiere numerosos conectores de entrada y salida y unas características robustas para la operación continuada. untos de información al ciudadano. n oficinas de turismo, grandes almacenes, bibliotecas, etc. eisten equipos con una pantalla táctil donde se puede pulsar sobr sobree la mism mismaa y eleg elegir ir la cons consul ulta ta a real realiz izar ar,, obte obteni nien endo do una una resp respue uest staa personalizada personalizada en un entorno gráfico gráfico amigable. Eecodi Eecodific ficado adores res para para la recepc recepción ión de telev televisi isión. ón. #ada #ada vez eiste eiste un mayo mayor r n>mero de operadores de televisión que aprovechando las tecnologías vía satélite y de red de cable ofrecen un servicio de televisión de pago diferenciado del convencional. n primer lugar envían la se!al en formato digital &3H; con lo que es necesario un procesado para decodificarla y mandarla al televisor. Además Además viaja cifrada para evitar que la reciban en claro usuarios sin contrato, lo que requie requiere re desci descifra frarla rla en casa casa del abo abona nado. do. )ambién mbién ofrece ofrecenn un servic servicio io de televisión interactiva o *ebH)F que necesita de un soft*are específico para mostrar páginas *eb y con ello un sistema basado en procesador con salida de se!al de televisión. +istemas radar de aviones. l procesado de la se!al recibida o reflejada del sistema radar embarcado en un avión requiere alta potencia de cálculo además de ocup ocupar ar poco poco espac spacio io,, pesa pesarr poco poco y sopo soport rtar ar cond condic icio ione ness etr etrem emas as de funcionamiento funcionamiento %temperatura, presión atmosférica, vibraciones, etc.'.
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quipos de medicina en hospitales y ambulancias =F" N móvil.
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&áquinas de revelado automático de fotos.
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#ajeros automáticos.
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asarelas % Gatewas' "nternetH$AJ.
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O un sin fin de posibilidades a>n por descubrir o en estado embrionario como son las neveras inteligentes que controlen su suministro vía "nternet, computadores de bolsillo, etc.
Ca!"tu#$ -& D(se1$ #omo ya hemos visto en el resumen del trabajo, básicamente se desea construir una tarjeta de adquisición de datos que se pueda supervisar remótamente, es por ello que en ésta sección dise!aremos una tarjeta de adquisición de datos de arquitectura abierta, es decir decir que sea sea progra programa mable ble en difere diferente ntess lengua lenguajes jes de progra programac mación ión,, y que ademá ademáss cumpla con los estándares de voltaje que se utiliza en la industria %#ontroladores lógicos programables o $#', para para que sea lo más cercana cercana a la realidad. Además Además de ello la tarjeta debe debe tener tener estánd estándare aress de comuni comunica cació ciónn con otros otros dispos dispositi itivos vos,, estos estos protoc protocolo oloss de comunicación serán el /+H;-; y también el =+? que está entrando con fuerza en sistemas de adquisición de datos. 8tros requerimientos que hemos visto en sistemas de adquisición de datos son memorias seriales para guardar algunas variables y también relojes de tiempo real, ambos dispositivos se pueden emplear con la finalidad de crear una peque!a base de datos, es por ello que se va a considerar en el dise!o. @inalmente mostramos nuestros requerimientos para dise!ar la tarjeta de adquisiciónB •
ntrada de alimentación de ;:FE#.
•
&emoria serie.
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/eloj de tiempo real.
•
8cho entradas analógicas de H0F a M0F. M0F.
•
Eos salidas analógicas de a M0F
•
8cho entradas digitales de ;:FE# y FE#.
•
8cho salidas digitales de ;:FE# y FE#.
•
uertas de comunicación serial /+;-; y =+?.
Ee acue acuerd rdoo a las las cara caract cter erís ísti tica cass ante antess menc mencio iona nada dass se proc proced eder eráá a busc buscar ar los los componentes componentes mejor indicados para cumplir con el dise!o e implementación del prototipo. $a tarjeta de adquisición tendrá como cerebro un microcontrolador o un microprocesador microprocesador que cumpla con las características suficientes para poder implementar el sistema de adquisición. Ee acuerdo a la eperiencia en temas relacionados a microcontroladores y microprocesadores, podemos concluir que para desarrollar una tarea específica, se utiliza un microcontr microcontrolad olador, or, justamente justamente necesita necesitamos mos realizar realizar una tarea tarea específic específicaa que es la adquisición de datos, es por ello que pensaremos en un microcontrolador como el centro de nuestra nuestra tarjeta tarjeta de adqu adquisici isición. ón. $a elección elección del microcontr microcontrolado oladorr la haremos haremos al final, final, luego de dise!ar el resto de partes de la tarjeta de adquisición.
-.%. -.%.
E#e E#e('n ('n se#e se#e ('n ('n )e #$s #$s )(s!$ )(s!$s(t s(t(7$ (7$ss )e entra entra)a )a )e a#(me a#(menta nta(' ('n n )e -0VD -0VDC C
#omo hemos mencionado anteriormente, un $#, normalmente opera con voltajes de ;:FE#, es por ello que para asemejar más a la realidad nuestro prototipo, nosotros elegimos que nuestra tarjeta de adquisición funcione con ;:FE#. ara esto utilizaremos alguno algunoss circui circuitos tos de regula regulació ciónn de voltaj voltaje, e, deb debido ido a que los compo componen nentes tes lógico lógicoss necesitan 2FE# para operar. s por ello que nos inclinamos a usar un regulador de voltaje de la serie 75$GG, que es 75$2, que se encargará de regular la entrada de alim alimen enta taci ción ón de ;:FE ;:FE# # a 2F 2FE# E# para para alim alimen enta tarr la part partee lógi lógica ca de la tarje tarjeta ta de adquisición.
-.%.%. -.%.%. C(ru(t$ C(ru(t$ )e entra)a entra)a )e )e a#(menta a#(menta('n ('n )e )e -0VDC -0VDC ara la implementación del circuito de regulación se utilizará una entrada superior a 2FE# 2F E# que que se podr podráá apro aprove vech char ar para para alim alimen enta tarr otro otro disp dispos osit itiv ivoo de la tarje tarjeta ta de adquisición. l circuito típico de regulación se muestra en la figura ;.0 +5V 78L05 1 2
V IN
VO U T D
+15V
N
10uF
G
1uF
Figura 2.1. Circuito de regulaci7n de 2olta8e a 5 2oltios$
-.-. -.-.
E#e E#e( ('n 'n se# se#e e( ('n 'n )e #a mem$ mem$r( r(aa ser ser(e (e $a memoria que utilizaremos será de modo tal que pueda almacenar algunos datos cada vez que se le dé una orden a la tarjeta de adquisición. ero debemos definir desde ya que datos se van a almacenar en la memoria. l objetivo de la memoria es almacenar los datos requeridos para formar una base de datos, es por ello que necesitamos una memoria que se pueda almacenar no solo una variable, sino también la hora y la fecha de la captura de la variable. sto nos hace pensar que necesitamos una memoria que contenga varios bloques, un bloque bloque para la variable variable y unos bloques bloques para la hora y la fecha. #omo ya sabemos, la hora se divide enB hora, minutos y segundos, es decir que para guardar la hora podríamos requerir de - bloques de memoria, es decir, un bloque para la hora, un bloque para los minutos y otro bloque para los segundos. l mismo procedimiento tendríamos que aplicar para la fecha ya que ésta, se divide enB fecha, mes y a!o, en otras palabras, requerimos de - bloques de memoria más. @inalmente decimos que por lo menos necesitamos de una memoria que posea mínimo 7 bloques, repartidos de la siguiente maneraB 0 bloque para la variable, - bloques para hora y - bloques para fecha. Ahora, la cantidad de información que queramos almacenar dependerá de la cantidad de direc direccio cione ness que posea posea la memor memoria. ia. #omo #omo es un sistem sistemaa edu educat cativo ivo y ep eperi erimen mental tal,, colocaremos una memoria peque!a y suficiente como para guardar unos ;21 datos.
Ee acuerdo a lo antes mencionado y si nos remitimos a la tabla ;.0, podríamos decidirnos por la memoria ;:$#01? que contiene contiene 5 bloques de ;21 direcciones cada cada una. odría ser una memoria superior, esto dependerá del que sea más sencillo de encontrar.
D(s!$s(t(7 $ Ca!a()a) C$ntr$# Tama1$ )(re('n ;:$#0? 0;5 bytes P00 0 byte ;:$#;? ;21 bytes P00 0 byte ;:$#:? 20; bytes P00b 0 byte ;:$#5? 0 Ibytes P00bb 0 byte ;:$#01? ; Ibytes P00bbb 0 byte ;:$#-;? : Ibytes P00ddd ; bytes ;:$#12 5 Ibytes P00ddd ; bytes ;:$#;21 ;21Ibytes P00ddd ; bytes bbb Q bits de selección de bloque bloque %direcciones de orden alto' ddd Q bits de selección de dispositivo Q no importa
D(str(bu('n 0 bloque de 0;5bytes 0 bloque de ;21bytes ; bloques de ;21bytes : bloques de ;21bytes 5 bloques de ;21bytes 5 bloques de 20;bytes 5 bloques de 0(bytes 5 bloques de -;(bytes
Tabla 2.1. Formatos de control de memorias seriales$
-.-.%. -.-.%. C(ru C(ru(t$ (t$ )e mem$r mem$r(a (a ara la utilización de la memoria serial utilizaremos el circuito típico de funcionamiento mostrado en la hoja de programación ?, ?, éste circuito se muestra en la figura ;.;. +5V
+5V
4.7K 1 2 " 4
# # # V
0 1 2 $$
VC C % P $C L $D #
+5V
4.7K
8 7 5
a p u e r ta d e l P I C a p u e r ta d e l P I C
24LC1!
Figura 2.2. Circuito de memoria con conei7n a microcontrolador microcontrolador$$
-./. -./.
E#e E#e('n ('n se#e se#e( ('n 'n )e# )e# re#$8 re#$8 )e t(em!$ t(em!$ rea# rea# a ut(#( ut(#(9a 9arr ara el caso del reloj de tiempo real o simplemente /)# % *eal 4ime Clock ', ', éste será el dispositivo complementario a la memoria para crear una base de datos, cuando sea necesario. =n /)# /)# que es ampliamente utilizado por su tama!o y fácil programación es el E+0-;, es por ello que para nuestra tarjeta de adquisición apelaremos a la recomendación dada por el libro de dicho autor, es así que a continuación daremos algunas características del /)# E+0-;. l circuito integrado E+0-; es un reloj4calendario con la capacidad de almacenar los datos correspondientes a las horas, minutos, segundos, día de la semana, día del mes, el mes y el a!o. ste dispositivo contiene lo necesario en su interior para actualizar automáticamente los datos en sus registros como reloj. l E+0-; utiliza un oscilador,
basado en un cristal de cuarzo eterno de -;,715I
Figura 2.3. Formato de Comandos para el D190:$
)ome en cuenta lo siguienteB l bit 7 siempre es 0. l bit 1 indica si la operación es sobre la /A& o sobre los registros del reloj4calendario. ara operaciones sobre la /A& de uso general el bit 1 debe ser R0S y para operaciones sobre el reloj el bit 1 debe ser RS. $os bits :, -, ;, 0 %A:, A-, A;, A0, A' indican la dirección del registro sobre el cual va dirigida la instrucción %lectura o escritura'. l bit indica si la operación es de lectura o escritura, en el caso particular debe ser 0 para una operación operación de lectura y para un operación operación de escritura. escritura. -./.%. -./.%. C(ru C(ru(t$ (t$ )e# re#$8 re#$8 )e )e t(em! t(em!$$ rea# rea#
n la figura ;.: se muestra el circuito de reloj de tiempo real donde se puede observar que se utilizan - pines del microcontrolador para manipular el /)#, estos pines son +#$I, "8 y /+). $a programación y manejo del /)# para configurar y leer la hora o fecha se verá en el dise!o total del circuito de adquisición de datos +5V
" 2 &7 8 ' ( )
+"V 1 2 " 4
V C C 2 *1 *2 G N D
V C C 1 $CLK IO $T
8 7 5
a p u e r ta d e l P I C a p u e r ta d e l P I C a p u e r ta d e l P I C
D$1"02
microcontrolador$$ Figura 2.4. Circuito de relo8 de tiempo real conectado al microcontrolador
-.0. -.0.
D(se D(se1$ 1$ )e #a entr entra) a)aa ana ana#' #'+( +(a a ara el dise!o propuesto se necesita de 5 entradas analógicas, en consecuencia se necesitará un convertidor de analógico a digital de 5 canales para manipular estás se!ales. s así que uno de los requisitos para la elección del microcontrolador, será que posea internamente un convertidor A4E, para así evitar el empleo de un convertidor A4E eterno de varios canales o uno de canal simple agregando un multipleor de 5 canales.
n ésta sección asumiremos que el microcontrolador a elegir poseerá un convertidor A4E de 5 canales y que el voltaje de entrada es de a 2 voltios. =na característica más es que la entrada analógica es de H0 voltios a M0 voltios, es por ello ello que que ésta ésta entr entrad adaa no pued puedee cone conect ctar arse se dire direct ctam amen ente te al cana canall anal analóg ógic icoo del del microcontrolador, microcontrolador, es así que se necesita agregar una etapa de acondicionamiento de se!al que permita convertir la entrada analógica de H0 a M0 voltios a una de a 2 voltios, para que el convertidor convertidor A4E A4E no se da!e. da!e. -.0.%. -.0.%. Eta!a Eta!a )e )e a$n)( a$n)(($ ($nam nam(en (ent$ t$ )e se1a# se1a#
ara el dise!o de la etapa de acondicionamiento de se!al se recurrirá a un circuito basado en resistencias como se muestra en la figura ;.2 y que en los siguientes párrafos se eplicará su funcionamiento. +5V
" 1 2 a p u e r ta a - a l/ a d e l P I C
1 2 , - t ra d a d e 1 0 a + 1 0 V
2 2
Figura 2.5. Circuito de entrada anal7gica acondicionada$
Figura 2.6. Cur2a de 2olta8e de salida 2s$ 2olta8e de entrada$
Ee acuerdo a lo visto en el circuito de la figura ;.2, podemos sacar algunas conclusiones, veamos, que sucede cuando en la entrada se coloca un voltaje equivalente a voltios, lo que sucedería sería que la resistencia /0 prácticamente se conectaría a tierra y por lo tant tantoo esta estarí ríaa en para parale lelo lo con con la resi resist sten enci ciaa /; /;,, esto esto prov provoc ocar aría ía que que eis eisti tiría ría una una resistencia equivalente igual /, ya que /0 es igual a /; que es igual a ;/, finalmente para encontrar el voltaje en la puerta analógica, se obtiene, por divisor de tensión, ;.2 voltios.
+i proseguimos colocando una serie de voltajes de entrada, aplicando reducción de circuitos y divisor de tensión obtendremos los voltajes de a 2 voltios que son los ideales que utiliza en conversor A4E interno del microcontrolador. @inalmente concluimos que el circuito es prácticamente lineal como lo epresa curva que se muestra en la figura ;.1.
-.2. -.2.
D(se D(se1$ 1$ )e #a sa#( sa#()a )a ana# ana#'+ '+( (aa Ee acuerdo a los requerimientos del dise!o, se necesita de dos salidas analógicas de a 0F, para esto se tienen algunas alternativas, una de ellas puede ser un convertidor de digital a analógico, que es un dispositivo eterno al microcontrolador, el dispositivo clásico, por ejemplo el EA#55, es de 5 bits de resolución y por lo tanto 5 bits de entrada para una salida lineal típica de a M0F. M0F. ste dispositivo necesita de fuentes de alimentación de 2 voltios, 0, voltios y otros voltajes, algo muy tedioso, debido a que se necesitaría dise!ar circuitos de regulación de voltaje. 8tro motivo por el cual no usar este dispositivo para nuestro dise!o es que se necesitaría más de una puerta para manipular dicho conversor, conversor, finalmente concluimos que este dispositivo no sería el más adecuado. 8tra posibilidad es utilizar potenciómetros digitales, uno de los más utilizados es el E+0;17, el impedimento principal es el costo, y que no se puede encontrar fácilmente. ero eiste una solución más sencilla y que haría uso directamente del microcontrolador, nos referimos a utilizar dos salidas moduladoras por ancho de pulso %D&'.
-.2. -.2.%. %. Eta! Eta!aa )e !$t !$ten en( (aa l microcontrolador tiene internamente dos D& que se pueden configurar para obtener una salida analógica, para esto se utiliza un circuito /#, es decir una resistencia y un condensador. ara utilizar la salida D& se recomienda una resistencia de 0(T y un condensador de 0U@. #on esto obtendremos una salida máima de M2F es por ello, que para nuestro dise!o colocaremos un amplificador de ganancia ; con un amplificador )$5; y un transistor de potencia )":0 para obtener ganancia en corriente. +15V
1 1'
8
"
d e p u e r ta d e l P I C C 1 10uF 2 1'
2
+
+15V
U 1# TL082 1
3 1 TIP41
-
4
" 1'
1 2 $ a l d d a a - a l / a
Figura 2.7. Circuito de salida anal7gica$
-.3. .3.
D(s D(se1$ e1$ )e )e #a #a en entra tra)a )(+ )(+(ta (ta#
=n requerimiento más de la tarjeta de adquisición es poseer 5 entradas digitales para leer voltajes de hasta ;: voltios. #omo ya sabemos, los dispositivos digitales trabajan con niveles lógicos de y 0, equivalentes a voltios y 2 voltios respectivamente. +i colocamos directamente la entrada de ;: voltios a la etapa digital, ésta sufriría un gran da!o, es por ello que se necesita de una etapa de acondicionamiento acondicionamiento de se!al.
-.3.%. -.3.%. Eta!a )e a$n)(($ a$n)(($nam(e nam(ent$ nt$ )e se1a# se1a# ara obtener una entrada digital de y 2 voltios, implementaremos una configuración basada en un transistor de baja potencia y alta velocidad como el ;J;;;;A que funcione como como un interr interrupt uptor or,, es decir decir,, cuando cuando se ecite ecite la base base ingres ingresand andoo una corrie corriente nte proveniente de la entrada cuando se ingrese un voltaje de ;: voltios, en la salida a la etapa digital resultará un voltaje de 2 voltios y cuando la entrada sea de voltios, en la salida a la etapa digital se obtendrá voltios. /ecuerde que la idea es reducir el voltaje de M;:FE# a M2FE# %lógica ))$', luego se util utiliz izar arem emos os un circ circui uito to de prot protec ecci ción ón %7:$ %7:$+; +;:2 :2'' para para una una cone conei ión ón dire direct ctaa al microcontrolador microcontrolador o microprocesador a emplear.
+5V 1 10' 3 1 2N2222#
1 2 , - t r a d a d t a l
a e t a p a d t a l " 1' 2 1' D 1 "
Figura 2.8. Circuito de entrada digital acondicionada$ U 1 d d d d d d d d
e e e e e e e e
a a a a a a a a
-
d d d d d d d d
-a -a -a -a -a -a -a -a
e - t e - t e - t e - t e - t e - t e - t e - t
de de de de de de de de
6ea 6ea 6ea 6ea 6ea 6ea 6ea 6ea
l l l l l l l l
2 " 4 5 7 8 1 1
# # # # # # # #
0 1 2 " 4 5 7
! ! ! ! ! ! ! !
0 1 2 " 4 5 7
1 1 1 1 1 1 1 1
8 7 5 4 " 2 1
a a a a a a a a
pu pu pu pu pu pu pu pu
e r ta e r ta e r ta e r ta e rt a e r ta e r ta e r ta
del del del del del del del del
D I G 74L$245
Figura 2.9. Circuito de protecci7n 'asado en un ;.:5$
-.4. .4.
D(s D(se1$ e1$ )e )e #a #a sa sa#()a #()a )(+ )(+(ta (ta#
PIC PIC PIC PIC P IC PIC PIC PIC
=n requerimiento más de la etapa de adquisición de datos es la de manejar 5 salidas digitales de ;: voltios, para esto utilizaremos, desde luego una etapa de potencia para conseguir justamente justamente los ;: voltios, debido a que la etapa digital generará sólo una salida máima de 2 voltios.
-.4. -.4.%. %. Eta! Eta!aa )e !$t !$ten en( (aa #uando se investigó diversas etapas de potencia de ;: voltios se observó que éstas etapas se complementan con otros dispositivos con relés, es por ello que las etapas de potencia de un controlador lógico programable se muestran en pareja, es decir, que una salida tiene dos tomas, una toma siempre va a ser ;: voltios y la otra toma no tendrá coneión, cuando se active la salida éste pin recién se colocará a nivel %tierra' y por lo tanto entre las dos tomas el voltímetro marcará ;: voltios. Vustamente eso se quiere lograr con el circuito de la figura ;.0. #omo se observa en el circuito de la figura ;.0:, se tiene un transistor de potencia )":0 que operará como un interruptor. n este caso cuando de la etapa digital se envíe 2 voltios, el interruptor se activará y por lo tanto en la salida, entre los bornes 0 y ; del conector se obtendrá ;: voltios, en caso contrario, el voltímetro marcará voltios. +24V 2 2.2'
D 2 1N4004
D 1 "
1 2 $ a l d d a d t t a l d e p t e - a
1 2.2' 3 1 TIP41
d e e t a p a d t a l
Figura 2.10. Circuito de salida digital de potencia$
=n circuito más que se utilizará en ésta etapa será un dispositivo de protección y a la vez que el microcontrolador lo pueda manejar con la menor cantidad de pines posibles, es por ello que se utilizará un conversor de serie a paralelo 7:$+01: configurado como se muestra en la figura ;.00. +5V U 1
d e p u e r ta d e l P I C d e p u e r ta d e l P I C
1 2 " 4
# ! C L N C K
3 3 3 3 3 3 3 3
# ! C D , F G (
12 11 10 8 7 5
a a a a a a a a
etapa etapa etapa etapa etapa etapa etapa etapa
de de de de de de de de
pte- pte- pte- pte- pte- pte- pte- pte-
a a a a a a a a
74L$14
Figura 2.11. Circuito de protecci7n mane8o de / salidas digitales$
-.:. -.:.
E#e E#e('n ('n se#e se#e( ('n 'n )e# )e# m(r$ m(r$$ $ntr ntr$# $#a)$ a)$rr a em!#ea em!#earr Eurante nuestra vida universitaria hemos visto distintos microcontroladores, de diferentes marcas, como los ?asic +tamp de aralla, los 562; de Atmel y microcontroladores "# de &icrochip, este >ltimo viene en diferentes variedades. =na familia que >ltimamente
está siendo utilizada es la de la familia 05@GGGG, que cuenta con una característica adicional a sus predecesores de la familia 01@GGG, que cuenta con dispositivos para comunicación comunicación con dispositivos =+?, este módulo viene incluido con el microcontrolador, es decir que no se necesita mayor circuitería eterna para lograr una comunicación con el computador computador vía =+?, lo que si se haría si utilizamos un ?asic +tamp o un 562;. Además, otra característica importante que nos lleva a ver la selección del "#, es que eis eiste te bast bastan ante te info inform rmac ació iónn sobr sobree cómo cómo func funcio iona na el micr microc ocon ontro trola lado dorr así así como como herramientas desarrollo y soft*are de simulación, que en muchos casos es gratuita, y demás datos que nos pueden servir a la hora de trabajar con este microcontrolador. microcontrolador. $os microcontroladores "# de la serie 05@ más comunes que cuentan con comunicación =+? y /+H;-; son el "#;22 y el "#:22. Ahora tenemos otro dilema, Wcuál de estos dos elegirX ara tener una respuesta concreta tenemos que ver los otros requerimientos que necesitamos, es por ello que la selección del microcontrolador a>n queda abierta y la resolveremos más tarde. l dilema de elegir un microcontrolador de dos la resolveremos de inmediato, tomando en cuenta los puertos que requiere cada una de las etapas de la tarjeta de adquisición antes descrita, esto se hace de la siguiente maneraB ara la etapa de memoria se requiere ; puertas digitales. •
ara la etapa de reloj de tiempo real se requiere / !uertas )(+(ta#es .
•
ara la etapa de entrada analógica se requiere : !uertas ana#'+(as .
•
ara la etapa de salida analógica se requiere de - !uertas $n P;M .
•
ara la etapa de entrada digital se requiere de : !uertas )(+(ta#es .
•
ara la etapa de salida digital se requiere - !uertas )(+(ta#es .
•
ara la comunicación serial /+H;-; se requiere de - !uertas )(+(ta#es .
•
ara la comunicación =+? se requiere de - !uertas )(+(ta#es .
+i suma umamos tod todas las las puert uertas as que que se nec necesit esitaan y ade además más sabe abemos que los los microcontroladores tienen conversor A4E interno de por lo menos 5 canales, concluimos !$r em!#e m!#eaar e# que necesitamos ;6 puertas, por lo tanto, nos inclinamos !$r m(r$$ntr$#a)$r m(r$$ntr$#a)$r PIC%:F022<, que tie tiene -; pue puerta rtas bidir idireeccion ionale ales y ; más unidireccionales9 unidireccionales9 esto significa que es más más que suficiente. =na aclaración importante importante por decir decir es que este este microc microcont ontrol rolado adorr es RcasiS RcasiS compat compatibl iblee con el microc microcont ontrola rolador dor "#01@577A ecepto por la comunicación =+?, la puerta #- que el "#05@:22 no eiste porque está habilitada como regulador de voltaje y las dos puertas unidireccionales que no tiene el "#01@577A. sto quiere decir que fácilmente si se estropea o no se consigue por alguna razón el microcontrolador "#05@:22, se podría usar un "#01@577A. s por ello que aparte de describir el "#05@:22, también describiremos el "#01@577A.
-.:.%. -.:.%. M(r$ M(r$$nt $ntr$ r$#a) #a)$r $r PIC%:F PIC%:F022 022<<
l "#05@:22 al igual que los demás miembros de su familia se caracteriza porB •
+u procesador es tipo /"+# %72 % 72 instrucciones'.
•
Felocidad de operación de hasta :5&
•
&emoria de programa @lash de -;(.
•
&odo sue!o de ahorro de energía.
•
)iene una arquitectura
•
erro guardián 4imer %DE)' %DE)' con propio oscilador /#.
•
$a protección de código programable.
Además de las características anteriormente se!aladas, se puede resaltar lo siguienteB •
#ontiene -; puertas que pueden ser configuradas como entrada o salida y dos más en una sola dirección.
•
#uatro temporizadores.
•
=n módulo de comparación, captura o salida D& %##'.
•
=n módulo de comparación, captura o salida D& mejorada %##'.
•
Eos comparadores analógicos.
•
#anales de comunicación serie.
•
#anal =+?.
•
)rece canales canales de conversión analógica a digital de 0 bits.
Figura 2.12. icrocontrolador PIC1/F550$
l microcontrolador "#05@:22, como se ve en la figura ;.0;, dispone de : pines. $os puertos son el puente puente entre el microcontrolador microcontrolador y el mundo eterior. eterior. +on líneas digitales y otras analógica analógicass que trabajan entre cero y cinco cinco voltios voltios y se pueden configurar configurar como entradas o como salidas. l "#05@:22 tiene cinco puertos. l puerto A con 7 líneas, el puerto ? con 5 líneas, el puerto # con 7 líneas, el puerto E con 5 líneas y el puerto con : líneas. #ada pin se puede configurar como entrada o como salida independiente programado por un par de registros dise!ados para tal fin, fi n, ecepto dos puertas, la puerta A1 que es sólo salida y la puerta - que es solo entrada. n ese registro un YY configura el pin del puerto correspondiente como salida y un Y0Y lo configura como entrada.
Puert$ A uerto bidireccional o de ntrada4+alida %))$', ecepto A1, u otra función como &
•
A<=AN<& in de entrada analógica %AJ' 4 entrada de comparación %#0"JH'.
•
A%=AN%& in de entrada analógica 0 %AJ0' 4 entrada de comparación %#;"JH'.
•
•
•
•
•
A-=AN-=VREF>& in de entrada analógica ; %AJ;' 4 entrada de comparación %#;"JM' 4 voltaje de referencia negativo %F/@H'. A/=AN/=VREF?& in de entrada analógica -, entrada de comparación %#0"JM' 4 voltaje de referencia positivo %F/@M'. A0=T
Puert$ B uerto bidireccional o de ntrada4+alida %))$' u otra función comoB •
•
•
•
•
•
•
B<=AN%-=INT<=FLT<=SD%=SDA& in de entrada analógica 0; %AJ0;' 4 entrada de interrupción eterna %"J)' 4 entrada de fallo del ## %@$)' 4 entrada de datos del +" %+E"' 4 línea de datos de " ;# %+EA'. B%=AN%<=INT%=SC@=SCL& in de entrada analógica 0 %AJ0' 4 entrada de interrupción eterna 0 %"J)0' 4 línea de reloj del +" %+#I' 4 línea de reloj de " ;# %+#$'. B-=AN:=INT-=VMO& in de entrada analógica 5 %AJ5' 4 entrada de interrupción eterna ; %"J);' 4 salida de datos del =+? %F&8'. B/=AN=CCP-=VPO& in de entrada analógica 6 %AJ6' 4 línea de entrada o salida del ##; %##;' 4 salida de datos del =+? %F8'. B0=AN%%=@BI<& in de entrada analógica 00 %AJ00' %AJ00' 4 interrupción por cambio de pin %I?"' 4 salida de #+ del + %#++'. B2=@BI%=PM& "nterrupción por cambio de pin %I?"0' 4 línea de programación %3&'. B3=@BI-=PC& "nterrupción por cambio de pin %I?";' 4 línea de programación %3#'.
•
B4=@BI/=PD& "nterrupción por cambio de pin %I?"-' 4 línea de programación %3E'.
Puert$ C uerto bidireccional o de ntrada4+alida %))$', entrada de alta velocidad, u otra función comoB •
•
•
C<=T%OSO=T%/C@%& in de salida del oscilador del temporizador 0 %)08+8' 4 entrada de contador de los temporizadores 0 y -. C%=T%OSI=CCP-=UOE& in de entrada del oscilador del temporizador 0 %)08+"' 4 línea de entrada o salida ##; %##;' 4 salida 8 del tranceiver del =+? %=8'. C-=CCP%=P%A& in de entrad entradaa o salida salida del ##0 %##0' %##0' 4 salida salida D& del ##0 %0A'.
•
C0=D>=VM& in menos del bus =+? %EH' 4 línea de entrada del =+? %F&'.
•
C2=D?=VP& in más del bus =+? %EM' 4 línea de entrada del =+? %F'.
•
•
C3=T=C@& in de salida de transmisión del =+A/) %)G' 4 línea de reloj del =+A/) %#I'. C4=R=DT=SDO& in de entrada de recepción del =+A/) %/G' 4 línea de datos síncrona del =+A/) %E)' 4 salida de datos del +" %+E8'.
Puert$ D uerto bidireccional o de ntrada4+alida %))$', o puerto paralelo esclavo para interactuar con un bus de un microprocesadorB microprocesadorB •
D<=SPP<& in de datos del + %+'.
•
D%=SPP%& in de datos del + %+0'.
•
D-=SPP-& in de datos del + %+;'.
•
D/=SPP/& in de datos del + %+-'.
•
D0=SPP0& in de datos del + %+:'.
•
D2=SPP2=P%B& in de datos del + %+2' 4 salida D& del ##0 %0?'.
•
D3=SPP3=P%C& in de datos del + %+1' 4 salida D& del ##0 %0#'.
•
D4=SPP4=P%D& in de datos del + %+7' 4 salida D& del ##0 %0E'.
Puert$ E uerto de sólo entradaB •
•
•
•
E<=AN2=C@%SPP& in de entrada analógica 2 %AJ2' 4 salida de reloj 0 del + %#I0+'. E%=AN3=C@-SPP& in de entrada analógica 1 %AJ1' 4 salida de reloj ; del + %#I0+'. E-=AN4=OESPP& in de entrada analógica 7 %AJ7' 4 salida de habilitación del + %8+'. E/=MCLR=VPP& in de reseteo eterno %$/' 4 línea de programación %F'.
P(nes a)(($na#es •
VSS& Ground o o )ierra.
•
VDD& @uente ositiva %M2F'.
•
•
-.. -..
OSC%=CL@I& ntrada del 8scilador del #ristal 4 ntrada de reloj de una @uente terna. VUSB& /egulación de voltaje =+?.
D(se D(se1$ 1$ )e )e #a eta! eta!aa )e $mun $mun( (a a(' ('n n RS>RS>-//- USB USB $as interfaces de comunicación son cruciales en cualquier sistema de adquisición de datos, es así que nuestro dise!o poseerá dos interfaces ampliamente usadas en nuestro medio, que son /+H;-; y =+?. Ambas interfaces sirven para comunicar la =)/ con un computador computador u otro dispositivo que posea estos tipos de interfaz. $a comunicación mediante una interfaz serie /+H;-;, se puede usar utilizando diferentes circuitos adaptadores de protocolo serial como los conocidos &AG;-;, pero también eiste otro chip mucho más cómodo y a nuestro alcance con el circuito integrado 7:<#0: que contiene internamente 1 compuertas J8) de alta velocidad, las cuales permiten esta stablece lecerr la comu omunica nicacción ión serie erie,, adem demás de a!adir adir prot proteección ión a nues nuestr troo micr microc ocon ontro trola lado dorr.
1
2
7414 1 22'
U 1! Puerta C 7
4
1 2 7 " 8 4 5
" P1 C O N , C T O D ! 7414
Figura 2.13. Dise
ara el caso de la comunicación vía =+?, el microcontrolador "#05@:22 ya viene implementado con el hard*are necesario para ésta comunicación, es así que solo se necesitan de un par de resistencias de ;;T en cada terminal de comunicación. l microcontrolador microcontrolador posee las puertas #: %pin ;-' y #2 %pin ;:' que van a los pines EH y EM %; y - del conector =+?' respectivamente por medio de dos resistencias de ;;T, para establecer la comunicación =+?. %Féase la figura ;.0:'. 1 220
P1 1 2 " 4
Puerta C 4 Puerta C 5
V D D G
2 220
C C + N D
U S B
C O N , C T O U $ !
Figura 2.14. Dise$
-..%. -..%. D(se1$ D(se1$ 5(na# 5(na# )e #a tar8eta tar8eta )e a)u(s(( a)u(s(('n 'n )e )at$s A continuación mostraremos por partes el dise!o final de la unidad terminal remota que prácticamente es nuestro sistema sistema de adquisición de de datos. n la figura ;.02 se muestra el circuito regulador de voltaje a 2 voltios para alimentar la etapa digital del circuito. #omo se observa en este circuito, se necesitan dos entradas de voltaje, una de 02 voltios para alimentar la etapa del amplificador de la etapa de potencia de la salida analógica. +24V
+15V
91
92
1 2
1 2
C O N 2
C O N 2
+5V
V , G 1 78L05 V IN
V O U T D N
C 1 10uF
C 2 1uF
G
Figura 2.15. Circuito regulador de tensi7n a 5 2oltios$
n la figura ;.01 se muestra el circuito de almacenamiento basado en una memoria ;:$#01?, como se puede apreciar, se conectan conectan los pines +#$ %pin 1' y +EA %pin 2' a las puertas ?2 y ?: ?: del microcontrolador microcontrolador "# respectivamente. respectivamente. +5V
# # # V
+5V
78 4.7'
U 7 1 2 " 4
+5V
0 1 2 $$
VC C % P $C L $D #
8 7 5
7 4.7'
B 5 B 4
24LC1!
Figura 2.16. Circuito almacenamiento de datos 'asado en la memoria :.C16$
n la figura ;.07 se muestra el reloj de tiempo real %/)#' E+0-; que se conecta a las puertas #0, # y #; del microcontrolador microcontrolador "# por medio de los pines +#$ %pin 7', "8 %pin 1' y /+) %pin 2'.
+5V
+"V U 1 2 " 4
" 2 &7 8 ' ( )
V C C 2 *1 *2 G N D
V C C 1 $CLK IO $T
8 7 5
C 1 C 0 C 2
D$1"02
Figura 2.17. Circuito 'asado en relo8 de tiempo real *4C% D190:$ +5V
+5V
5' 9"
18 5'
4 10'
97 A 0
1 2 C O N 2
5 10'
1 10' A 5
1 2 C O N 2
17 10'
+5V
+5V
5' 94
21 5'
7 10'
98 A 1
1 2 C O N 2
8 10'
1 10' E 0
1 2 C O N 2
20 10'
+5V
+5V
12 5' 95
10 10'
24 5' 9
A 2
1 2 C O N 2
11 10'
22 10' E 1
1 2 C O N 2
2" 10'
+5V
+5V
15 5' 9 1 2 C O N 2
1" 10'
27 5' 910
A 3
14 10'
1 2 C O N 2
25 10' E 2
2 10'
Figura 2.18. Circuito de acondicionamiento de se
+15V
44 1'
+15V
U 5# TL082
8
"
B 0
C 5 10uF
2
45 1'
+
1
T25 TIP41
-
91 1 2
4 1'
4
C O N 2
+15V
47 1'
+15V
U 5! TL082
8
5
B 1
C 10uF
48 1'
+
7
T2 TIP41
-
920 1 2
4 1'
4
C O N 2
Figura 2.19. Circuito de potencia para la salida anal7gica$
n la figura ;.06 se muestra el circuito de potencia basado en el amplificador operacional )$5;. l circuito está configurado en modo no inversor con una ganancia de ;, con esto, cuando la salida D& se coloca a 2 voltios, con ésta etapa la salida llegará a 0 voltios. Zsta configuración también se denomina manejador de corriente unidireccional, por motivo de que el transistor entregará corriente a la carga que se coloque en la salida. U 4 D D D D D D D D
7 6 5 4 3 2 1 0
2 " 4 5 7 8 1 1
# # # # # # # #
0 1 2 " 4 5 7
! ! ! ! ! ! ! !
0 1 2 " 4 5 7
1 1 1 1 1 1 1 1
8 7 5 4 " 2 1
E E E E E E E E
D D D D D D D D
1 2 3 4 6 7 7 8
D I G 74L$245
Figura 2.20. Circuito de protecci7n de lectura de / 'its$
+5V
911
+5V
28 10'
915 T1 2N2222#
1 2
E D 1
C O N 2
" 10' T5 2N2222#
1 2
E D 5
C O N 2 2 1'
"7 1'
1'
7" 1' D 2 "
D 2 "
+5V
912
+5V
"0 10'
91 T2 2N2222#
1 2
E D 2
C O N 2
"8 10' T 2N2222#
1 2
E D 6
C O N 2 "1 1'
" 1'
70 1'
74 1' D " "
D " "
+5V
91"
+5V
"2 10'
917 T" 2N2222#
1 2
E D 3
C O N 2
40 10' T7 2N2222#
1 2
E D 7
C O N 2 "" 1'
41 1'
71 1'
75 1' D 4 "
D 4 "
+5V
914
+5V
"4 10'
918 T4 2N2222#
1 2
E D 4
C O N 2
42 10' T8 2N2222#
1 2
E D 8
C O N 2 "5 1'
4" 1'
72 1'
7 1' D 5 "
D 5 "
Figura 2.21. Circuito de acondicionamiento de entrada digital$
+5V
U " 1 2 "
B 3 B 2
4
# ! C L N C K
3 3 3 3 3 3 3 3
# ! C D , F G (
12 11 10 8 7 5
S S S S S S S S
D D D D D D D D
1 2 3 4 5 6 7 8
74L$14
Figura 2.22. Circuito de mane8o de / salidas digitales 'asado en el ;.16$ 5" 2.2'
+24V
1 2.2'
+24V
921 D 10 1N4004
D 18 "
925
1 2
D 14 1N4004
D 22 "
C O N 2
C O N 2
52 2.2'
0 2.2' T TIP41
S D 1
55 2.2'
T TIP41
S D 5
+24V
" 2.2'
+24V
922 D 11 1N4004
D 1 "
92
1 2
D 15 1N4004
D 2" "
C O N 2 2 2.2' T10 TIP41
57 2.2'
T10 TIP41
S D 6
+24V
5 2.2'
+24V
92" D 12 1N4004
D 20 "
927
1 2
D 1 1N4004
D 24 "
C O N 2 4 2.2' T11 TIP41
5 2.2'
T11 TIP41
S D 7
+24V
7 2.2'
+24V
924 D 21 "
D 1" 1N4004
928
1 2
D 25 "
C O N 2 2.2' T12 TIP41
D 17 1N4004
1 2 C O N 2
58 2.2' S D 4
1 2 C O N 2
5 2.2' S D 3
1 2 C O N 2
54 2.2' S D 2
1 2
S D 8
T12 TIP41
Figura 2.23. Circuito de potencia para la salida anal7gica$
n la figura ;.; se muestra el circuito de protección para la etapa digital basado en un sepa separa rado dorr bidi bidire recc ccio iona nall 7:$+ 7:$+;: ;:2. 2. Zsta Zsta etap etapaa perm permiti itirá rá mane maneja jarr las las 5 etap etapas as de acondicionamiento acondicionamiento de se!al que se muestran en la figura ;.;0. n la figura ;.;; se muestra el circuito de manejo de 5 salidas digitales basado en circuito integrado conversor de serie a paralelo 7:$+01:. Zsta etapa servirá para manejar las 5 salidas de potencia que se muestran en la figura ;.;-. U 1 A A A A +5V A A
2 " 4 5 7 14
0 1 2 3 4 5
3 1 20;()
1"
C 4 15pF
D D D D D D D D
1 2 2 2 2 2 2 "
0 1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 7 8 0
D D D D D D D D
V U
5 7 " 4 5
C C C C C C C
0 1 2 4 5 6 7
B B B B B B B B
0 1 2 3 4 5 6 7
+5V
"2 "1
VD D V$ $
V D D V $$
18 C 0.47uF
1 1 1 2 2 2 2
0:#N0 C0:T1O$O:T1CKI 1:#N1 C1:T1O$I:CCP2:UO, 2 :# N 2 : V , F :C V , F C 2 :C C P 1 :P 1 # ":#N":V,F+ C 4 :D :V ; 4:T0CKI:C1OUT:CV C 5 :D + : V P 5:#N4:$$:LVDIN:C2OUT C : T * :C :C K :O$C2:CLKO C 7 : * : D T : $ D O
O$C1:CLKI
11 12 C " 15pF
# # # # # # #
" " " " " " " 4
! 0 : # N 1 2 : IN T 0 : F L T 0 : $ D 1 : $ D # ! 1 : # N 1 0 : IN T 1 : $ C K : $ C L 0:$PP0 ! 2 : # N 8 : I N T 2 :V ; O 1:$PP1 ! " :# N :C C P 2 :V P O 2:$PP2 ! 4 : # N 1 1 : K ! I0 :C $ $ P P ":$PP" ! 5 : K ! I1 :P G ; 4:$PP4 ! : K ! I2 :P G C 5 :$ P P 5 :P 1 ! ! 7 : K ! I" :P G D :$ P P :P 1 C 7 :$ P P 7 :P 1 D ,0:#N5:CK1$PP ,1:#N:CK2$PP $ ! ,2:#N7:O,$PP ,":;CL:VPP
" 4 5 7 8 0
8 10 1
E 0 E 1 E 2
+5V
2 10' " 120
e6et
PIC18F4550
Figura 2.24. )l cere'ro de nuestra >4* 'asado en el microcontrolador PIC1/F550$ PIC1/F550$
n la figura figura ;.;: ;.;: se muestr muestraa el microc microcont ontrol rolado adorr "#05@ "#05@:22 :22 con sus con conei eione oness básicas, como sonB el cristal de ;&
U 2C 5
C 6
7414 8 22'
U 2! 4
C 7
" P 1 C O N , C T O D ! 7414
Figura 2.25. Circuito de inter&a= *:9:$
n la figura ;.;1 se muestra el circuito de comunicación serial, en este caso está listo para establecer comunicación comunicación serial con un computador u otro equipo que use ésta interfaz. 50 220 C 4 C 5
51 220
P2 1 2 " 4
V D D G
C C + N D
U S B
C O N , C T O U $ !
Figura 2.26. Circuito de inter&a= >$
n la figura ;.;1 se muestra el circuito para conectar el microcontrolador "#05@:22 vía =+? a un computador personal.
#omo podemos apreciar, prácticamente el dise!o final resulta de la unión de cada una de las partes antes descritas.
-.%<. -.%<. Cara Carater ter"st "st(a (ass )e# s(stem s(stemaa )e $mun( $mun(a a('n ('n l sist sistem emaa de comu comuni nica caci ción ón debe deberá rá cump cumplir lir con con la cara caract cter erís ísti tica ca de comu comuni nica car r remotamente la tarjeta de adquisición de datos con la estación maestra vía una red de área local. ntonces como ya hemos elegido la interfaz /+H;-; como base, tenemos que buscar un dispositivo que pueda adaptar nuestra interfaz serial a thernet para que los datos obtenidos por la tarjeta de adquisición puedan ser enviados por los dispositivos de red local hacia la estación maestra. n resumen necesitamos un dispositivo conversor de interfaz serial a interfaz thernet. $uego de elegir este equipo necesitaremos necesitaremos algunos dispositivos básicos para implementar un red de área local.
-.%<.%. E#e('n )e# $n7ers$r $n7ers$r )e RS>-/- a Eternet Eternet n el mercado eisten gran cantidad de dispositivos convertidores, muchos de ellos algo complicados, complicados, en los cuales tienes que mezclar código <)&$ con lenguaje ?asic y demás programación, que que nos llevaría gran tiempo aprender. aprender. s por ello que entre los muchos dispositivos de red investigados caímos en los famosos módulos )"??8.
-.%<.-. M')u#$ TIBBO DS%<< l módulo )"??8 es un conversor +erialHthernet que conecta eternamente cualquier equipo +erial %/+H;-;4/+H:52' a una red $AJ thernet. l +ervidor E+0 es ideal para "ntegradores de +istemas que deseen conectar en red instalaciones o equipos eistentes.
Figura 2.27. Im?genes del 4I+ D100, a la i=@uierda" aspecto eterior del 4I+A a la derec!a" interior del 4I+ donde se aprecia @ue tiene un )100$
ntre las características más saltantes tenemosB •
•
•
nlaza en /ed cualquier equipo +erial %/+H;-;4/+H:52'. nruta transparentemente los datos entre su puerto +erial y la red thernet 0?ase). +e comunica con otras estaciones por red usando los protocolos )# o =E.
•
•
•
•
@leible, cuenta con muchos parámetros de funcionamiento configurables. configurables. )odos los parámetros pueden ser configurados a través del puerto serial o por la red. +oporta configuración de la dirección " por la red. +oporta comandos Yal vueloY para el cambio remoto inmediato de los parámetros del puerto puerto serial %baudrate, paridad, paridad, etc.'. etc.'.
•
Eise!o compacto y atractivo %dimensiones %dimensiones de solo 62 27 - mm'.
•
+u firm*are interno puede ser actualizado por el usuario.
•
•
•
+oft* oft*aare y firm firm*a *are re des descar cargable bles desde sde el siti sitioo *e *ebb del del fabr fabric icaante nte %***.tibbo.com'. #ompatible con el módulo &0 %de hecho, el E+0 incorpora un &0 en su interior'. Aprobaciones Aprobaciones # y @##.
l +ervidor E+0 puede ser usado para conectar a la red $AJ equipos seriales, tales comoB •
•
•
#aptura de Eatos [ quipos de +eguridadB o
)erminales de #ontrol de Acceso.
o
Eispositivos de +eguridad.
o
/elojes de Asistencia. Asistencia.
o
)erminales de Almacenes.
o
)erminales de Automatización en lantas.
&edidores y +ensores /emotosB o
&onitores de nergía.
o
&edidores de nergía.
o
&onitores Ambientales. Ambientales.
o
+ensores de )emperatura.
o
/egistradores de Eatos.
scáneres de AutoH"EB
•
o
#ódigo de ?arras.
o
$ectores de ?anda &agnética.
o
$ectores de roimidad %/@"E'.
aneles lectrónicos de &ensajes o +istemas de #aptura sin #s o
+istemas educacionales de ?ajo #osto.
o
&áquinas pendedoras. pendedoras.
o
+istemas unto de Fenta %8+'.
o
"nstrumentos de $aboratorio.
o
"mpresoras +eriales.
o
#entrales )elefónicas %?G'.
n resumen el módulo )ibbo E+0 nos servirá para capturar las se!ales provenientes de la tarjeta de adquisición o =)/ vía /+H;-;, luego el )ibbo preparará la información para colocarla en el protocolo )#4" y enviarla vía thernet a la red local %en éste caso compuesta por un +*itch y una computadora personal', finalmente los datos serán capturados por la unidad maestra, donde se configurará el soft*are del )ibbo para que cree el puerto serial virtual, para que prácticamente se utilice el soft*are de adquisición como si fuera localmente vía /+H;-;. Féase la figura ;.;5. $a configuración del soft*are del )ibbo se mostrará en la sección de dise!o la interfaz humanoHmáquina. #onvertidor /+H;-; a thernet
)arjeta )arjeta de adquisición
#omputador para interfaz humanoHmáquina Figura 2.28. Conei7n típica de un m7dulo 4i''o a su dispositi2o serial$
-.% -.%%. D(se D(se1$ 1$ )e S$5t S$5ta are re $uego de dise!ado cada una de las etapas se enlazo todas las etapas, concluyendo con el dise!o de hard*are de la interfaz. A continuación continuación se dise!a el soft*are que debe contener el microcontrolador para gobernar el sistema. l programa se desarrollo en el lenguaje ic?asic ro %compilador del mismo nombre' en el editor de programas #ode Eesigner.
=na vez probado y comprobado el programa se graba este en el "# utilizando el grabador "#. l programa tiene que cumplir con leer cada uno de los dispositivos que se conectan alrededor del "# %periféricos'. =no de los primeros pasos que realiza el programa es la defin definici ición ón de varia variable bles, s, estas estas variab variables les.. $uego $uego se espera espera el comand comandoo que envíe envíe el computador personal, estos comandos servirán para definir que parte de la tarjeta se empleará, es decir si se lee las entradas analógicas o por ejemplo se escribe una salida digital, esto dependerá dependerá específicamente del valor valor de ? %véase la tabla ;.-'. Falor de ? 0H; -H0 00 0;
/esultado +alidas analógicas ntradas analógicas +alidas digitales ntradas digitales
Tabla Tabla 2.3. (alores de la 2aria'le 0$
Figura 2.29: Diagrama de &lu8o del programa del microcontrolador$ microcontrolador$
n la figura ;.;6 se muestra un diagrama de flujo básico para acceder a los procesos de lectura y escritura de la tarjeta, dependiendo del valor de ? que se envíe al procesador, se obtendrá un determinado proceso. n la figura ;.- se muestra una interfaz de usuario para acceder a la tarjeta utilizando el soft*are Fisual Fisual ?asic. sta interfaz es básica y va a depender de lo que se quiera realizar con la tarjeta y a gusto del programador, solo basta con conocer las direcciones con que funciona la tarjeta.
(isual asic para la lectura escritura esc ritura del icro-P.C$ Figura 2.30. Inter&a= de usuario en (isual