Introducción a Desarrollo de Prototipos v2014

8/17/2019 Introducción a Desarrollo de Prototipos v2014

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©ATE-Universidad de Oviedo

Introducción

“Desarrollo de Prototipos”Introducción


Introducción

¿Qué es un prototipo?

Prototipo: (diccionario de la RAE)Ejemplar original o primer molde en que se fabrica una figura u otra cosa.Ejemplar perfecto y modelo de una virtud, vicio o cualidad

• Un prototipo también se puede referir a cualquier tipo de circuito, equipo,sistema o máquina diseñada para una demostración de funcionamiento o para

la realización de pruebas.

• En el mundo del software, un prototipo es una versión inicial que se utilizapara demostrar conceptos funcionales, probar opciones de diseño, validarlas especificaciones iniciales y determinar la reacción de los futuros usuarios.

En conclusión, un prototipoes una realización preliminar

de algo que pretende serun nuevo producto


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Introducción

“Desarrollo de Prototipos”

Asignatura orientada a una metodología PBL ( Project Based Learning )

¿Con qué tipo de prototipos vamos a trabajar?

• Sistemas eléctricos, electrónicos y automáticos• Con parte hardware: diseño mixto (analógico y digital)• Con parte software: programación en C o ensamblador• Con sistemas embebidos o empotrados (embedded systems)

Sistemas microprocesadores (computadores) que forman parte desistemas físicos más grandes, con sensores y actuadores

• Son sistemas en tiempo realSistemas que tienen que cumplir restricciones de tiempo en susrespuestas, las exigen los sistema a gestionar para que “funcionen”

• Manejan procesos concurrentesVarias tareas en curso simultáneamente, tienen que estarsincronizadas y cumplir con los requerimientos de tiempo de todas

• Usaremos microcontroladores (computador en miniatura) como núcleosdel diseño


Introducción

Prototipos de Sistemas Empotrados

Sistema Empotrado: sistema computador con hardware y software específicos,diseñados y optimizados para conseguir el funcionamiento de un determinado sistema,de acuerdo con unas especificaciones de partida, todo ello de manera eficiente.

Opciones de diseño hardware para SE:

1. A nivel de chips, sobre una placa de circuito impreso (PCB), buscando el menornúmero de componentes y el menor tamaño posible para una aplicación particular.

2. A nivel de PCBs, utilizando placas comerciales, una o varias si fuera necesariointerconectadas entre sí. Se reduce el tiempo de diseño pero no se optimizani tamaño, ni número de componentes, ni coste unitario.

Versiones de Arduino ®

Single-Board Computers de la empresa Digi


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Introducción

Hay un microprocesador comoparte integrante del conjuntopero transparente al usuario

Televisores, lavadoras,

alarmas, teléfonos,reproductores de DVD,relojes, calculadoras, equipos de música,

discos duros, ratones, impresoras, monitores, radio,GPS, frenos ABS, sistema de inyección de combustible, elevalunas,

retrovisor, airbag, dirección asistida, control de velocidad, asistencia activa deaparcamiento, apertura y cierre,…

Sistemas empotrados


Introducción

Diseño Hardware:• Identificación de señales de Entrada y Salida• Alimentación del sistema• Etapas de Adaptación/Acondicionamiento de Señales• Selección de componentes• Esquema• Prototipos básicos• Diseño de la Placa de Circuito Impreso – Diseño mecánico• Montaje y ensamblado

Diseño Software• Algoritmo y estructura de datos•

Escritura del código fuente (ensamblador o C)• Pruebas, verificación y modificación del código• Simulación del Programa (puro software, sin prototipo)• Depuración en el Circuito de Aplicación• Grabación de código máquina en la memoria de programa

Definición de especificaciones a cumplir

Concepción del sistema: diagrama funcional

Prueba y

Verificación

EL PROCESO DE DISEÑO

Producción


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Introducción

Selección componentesCálculo de valores

Esquema

Prototipos básicos

Diseño PCBDiseño mecánico

Ficheros CAMImpresión de máscaras

Fabricación de PCB

Montaje y ensamblado

Diseño Hardware

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Prototipos en PCB


Introducción

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Simulación(sólo software)

Análisis de resultadossobre prototipo

(señales eléctricas)

AlgoritmoEstructura de datos

Diseño Software

Análisis de resultados(señales lógicas)

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Edición Código FuenteGeneración código máquina

(ensamblar o compilar)

2

Depuración sobre hardware del prototipo(con Depurador o Emulador)

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Introducción

¿Programar en lenguaje C o en ensamblador?

• La ventaja del C frente al ensamblador es la rapidez en el desarrollo de lasaplicaciones y la comodidad a la hora de utilizar las funciones de manejo delos módulos internos (la diferencia entre 2 ó 3 días y 1 ó 2 semanas con

aplicaciones para el manejo de un LCD por ejemplo).• Las ventajas del ensamblador sobre el C residen en la eficiencia y lo compactoque resulta el código (entorno a un 80% menor en tamaño). En el ensambladorde los microcontroladores PIC, una instrucción ocupa una única posición de lamemoria de programa. Una simple instrucción en C que nos ocupa una única líneade nuestro código fuente puede traducirse en varias posiciones de memoria deprograma (como ejemplo se pueden probar unas cuantas condiciones en un “if ...).

• Además, cuando uno utiliza la programación en ensamblador, se tiene un

control total sobre el tiempo de ejecución de las instrucciones, lo que puederesultar especialmente importante en aplicaciones en tiempo real.

• En cualquier caso, es posible combinar ambos (parte ensamblador, parte en C)


Introducción

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Diseño Hardware: prototipos básicos

Stripboards, veroboards®

Para pruebas iniciales de funcionamientoNo es necesario diseñar la PCBEn una de las caras existen tiras de cobre paralelasLos agujeros están distanciados 0,1 pulgadas (C.I.)

Las conexiones se hacen con cables y soldadurasNo están pensadas para su reutilización (es difícil)Perfboard es una variante con los huecos rodeadospor cobre pero no están interconectados entre sí, lasconexiones se hacen con caminos de soldadura

Perfboards

Stripboard


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Introducción

Diseño Hardware: prototipos básicos

Breadboards, protoboards, plugboards

Para pruebas iniciales de funcionamientoNo es necesario diseñar la PCB

Hay que utilizar componentes de inserción (no SMD)Agujeros en soporte plástico conectados en filas o columnasNo se requieren soldadurasFácil modificaciónFácil reutilización de la placa y los componentes


Introducción

Diseño Hardware: prototipos en PCB

PCB (Printed Circuit Boards)

Proporciona soporte mecánico a los componentesPrototipos con mayor fiabilidad en las conexiones eléctricasPistas conductoras sobre sustrato no conductorDiseño con herramientas CAD en un PC para situar

componentes y trazar las pistasEscasa capacidad de modificación tras construcciónComponentes de inserción y montaje superficial (SMD)Eliminación de cobre con atacado químico o físico (fresadoo láser)En el laboratorio se pueden hacer de doble capaRealización industrial: 1 a 16 capas conductoras (pegadas)Máscara verde antisoldante (solder mask ) protección a la corrosión


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Introducción

IDEA

Captura deesquemas

Esquemaeléctrico

Simulaciónen

condicionesvarias

Simulación

Tarjeta decircuitoimpreso(PCB)

Diseño de placas decircuito impreso

Extracción de parásitos en pistas (R-L-C)

Resultados

CAD electrónico

• Proteus• Cadence-OrCAD• Altium• DesignSpark PCB (esquema + diseño de placas)• Eagle (esquema + diseño de placas)• QUCs (esquema + simulación analógica y digital)• PSIM (esquema + simulación de sistemas electrónicos de potencia)


IntroducciónNuestras herramientas

CAD Electrónico: PROTEUSCAD convencional

Proceso de diseño de sistemas basados en micros con PROTEUS

¿Qué tiene Proteus que no tienen los demás ?Se puede probar el programa del microcontrolador antes de disponer del prototipo,

A partir del esquema ya se puede probar Software y Hardware(VSM integrable en el entorno MPLAB de Microchip)


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Introducción

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PICDEM Mechatronics

La placa dispone de un microcontrolador PIC16F917 con oscilador interno de 8 MHztambién dispone de un zócalo de 20 pines para otro PIC alternativo

Herramientas Hardware: Placas de entrenamiento de Microchip


Introducción

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PICDEM 2 PlusLa placa dispone de un microcontrolador PIC16F877A

también dispone de un zócalo de 28 pines para otro PIC

Herramientas Hardware: Placas de entrenamiento de Microchip

PICDEM 2 plus

1.- Zócalos 18, 28 y 40 pinespara microcontroladores2.- Alimentación3.- Con. RS232 y adaptación4.- Conector Debugger5.- Pot. entrada analógica

6.- Pulsadores7.- Led indicación alim.8.- 4 leds rojos9.- Jumper para desconectar leds rojos10.- Zócalo para oscilador11.- Hueco para cristal12.- Cristal de 32,768kHz para Timer 113.- Jumper para desconectaroscilador RC externo (2MHz aprox.)14.- I2C EEPROM de 256K x 815.- Display LCD16.- Zumbador piezoeléctrico17.- Área libre para conexiones

18.- Sensor de Temperatura I2C


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IntroducciónNuestras herramientas

Hardware: PICDEM LAB Development Board

Placa de prototipos Protoboard con microcontroladores PIC

Componentes:resistencias, leds,

condensadores,pulsadores,

potenciómetros,diodos,

transistores,motor CC,

PIC10F206 (DIP8)PIC12F615 (DIP8)PIC16F616 (DIP14)

PIC16F88 (DIP18)PIC16F690 (DIP


IntroducciónNuestras herramientas: Desarrollo software

Entorno de Desarrollo Integrado MPLAB X IDE de Microchip

Compilador de C para microcontroladores PIC

“Otros” compiladores:

MPLAB XCHI-TECH

IAR CMikroC…


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Introducción

Planificación de la docencia de la “parte electrónica”

• CAD Electrónico: simulación con Proteus

• CAD Electrónico: realización de PCBs con Proteus

•

Herramientas para microcontroladores PIC : entorno MPLAB X y hardware

• Compilador C de CCS

o Desarrollo de programaso Puertos, temporizadores e interrupciones en Co Gestión de módulos internos del microcontrolador

• Interfaces de entrada/salida

o Control de Motores: CC de escobillas, BLDC, Paso a paso, servomotoreso

Displays de cuarzo líquido (LCD)o Teclados matricialeso Comunicación serie asíncronao Comunicación serie síncrona: bus I2C y bus SPI

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