ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERA ENELECTRICIDAD Y COMPUTACIN Diseo de tarjetas para el desarrollo de aplicaciones con dsPIC TESIS DE GRADO Previa la obtencin del Ttulo de: INGENIERO EN ELECTRICIDAD ESPECIALIDAD EN ELECTRNICA Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL Presentado por: Orlando Xavier Barcia Rosero Roger Alfredo Calle Chez GUAYAQUIL ECUADOR AO 2008 AGRADECIMIENTOA Dios. A los amigos. Atodaslaspersonasque contribuyeroneneldesarrollodeeste trabajo.Atodosquienesapuestanporel desarrollo tecnolgico en Ecuador. DEDICATORIAADiosquesiemprenosha acompaado,siendosuamorla fuentedeenergaparaalcanzar nuestras metas. Anuestrospadres,porsu comprensinyayudaincondicional, quienessiemprenosinculcaron perseveranciaconvaloresticos, permitindonosiniciarnuestravida profesional,yanuestroshermanos quesiemprehanapoyadonuestras decisiones y retos. TRIBUNAL DE GRADUACIN Ing. Holger Cevallos U.Ing. Carlos Valdivieso A. Presidente del TribunalDirector de Tesis Ing. Efrn HerreraIng. Carlos Salazar Miembro PrincipalMiembro Principal DECLARACIN EXPRESA Laresponsabilidaddelcontenidodeestetrabajo,noscorresponde exclusivamente;yelpatrimoniointelectualdelmismoalaESCUELA SUPERIORPOLITCNICA DEL LITORAL. (Reglamento de exmenes y ttulos profesionales de la ESPOL) Orlando Xavier Barcia Rosero Roger Alfredo Calle Chez RESUMENEl presente proyecto de tpico tiene como finalidad el diseo y construccin detarjetasparaeldesarrollodediferentesaplicacionescondsPIC.La implementacindelasdostarjetasseharealizadosobreplacadefibrade vidrio a doble capa y el dsPIC30F4011 es la unidad de control implementada en dos tarjetas. La tarjeta de entrenamiento tiene implementado diversos perifricos y salidas porconectoresquepodrnserusadosparadiferentesaplicacionesysern controladassegnelcdigodelprogramadesarrolladoporelusuarioyque ha sido grabado en el dsPIC30F4011 de la respectiva tarjeta logrando operar losperifricos,tambinesposiblerealizarsobrelamismatarjetaelmanejo detrestiposdemotores(servomotor,depasos,DC);conrespectoala tarjetaparaaplicacionesbsicasvieneprovistadeconectoresapropiados para salidas de las seales de control para diferentes aplicaciones. Parapodertrabajarconlatarjetadeentrenamientoprimerosedebe configuraradecuadamentelospuentesdehabilitacinparalosperifricos querequierausarse,loanterioresmuyventajosoporqueposibilitala implementacindevariosperifricosenlatarjetaconunamismasealdel controlador,enlatarjetadeaplicacionesbsicaslosperifricosdebenser implementadosexternamenteylasseales del dsPICllegan a travs de los conectores disponibles en la misma. Enambastarjetassehatratadodeaprovecharlamayorpartedelos recursosdeldsPICconlafinalidaddedisponerdeunmodelopara entrenamiento muy til y que contribuya con futuras investigaciones basadas en este tipo de controladores. NDICE GENERAL RESUMEN..................................................................................................... VI NDICE GENERAL ....................................................................................... VIIIABREVIATURAS .......................................................................................... VII SIMBOLOGA .............................................................................................. VIII NDICE DE FIGURAS................................................................................... XIINDICE DE TABLAS ....................................................................................XIVINTRODUCCIN ............................................................................................ 1 1. GENERALIDADES Y ARQUITECTURA DE LOS dsPIC ............................ 31.1 Antecedentes ..................................................................................... 31.2 Especificaciones tcnicas del sistema a implementarse ......................... 51.2.1 Caractersticas tcnicas de la tarjeta ........................................... 51.2.2 Entradas y salidas de los mdulos ............................................... 71.2.3 Fuentes de alimentacin ............................................................ 101.2.4 Diagrama de bloques ................................................................. 111.3 Revisin histrica de los PIC y dsPIC.............................................. 131.3.1 Generalidades de los microcontroladores .................................. 131.3.2 Por qu el dsPIC? .................................................................... 141.3.3 Familias de dsPIC ...................................................................... 161.4 Estructura de los dispositivos ........................................................... 201.4.1 Motor DSP ................................................................................. 241.4.2 Temporizadores ......................................................................... 251.4.3 Mdulo de captura de entrada. .................................................. 251.4.4 Mdulo de comparacin de salidas. ........................................... 261.4.5 Conversor Analgico Digital de 10 bits ...................................... 261.4.6 Mdulos de comunicacin UART, SPI, I2C, CAN. ..................... 271.4.7 Mdulo encoder de cuadratura .................................................. 301.4.8 Mdulo control de motor PWM ................................................... 301.5 Campos de aplicacin ...................................................................... 311.5.1 Generalidades............................................................................ 311.5.2 Codificador de encoder de cuadratura ....................................... 331.5.3 Control de motores DC mediante PWM ..................................... 341.6 Entornos de desarrollo ..................................................................... 361.6.1 Eleccin del compilador ............................................................. 361.6.2 Entorno del compilador elegido .................................................. 381.7 Adquisicin de datos por LabVIEW .................................................. 421.7.1 Generalidades de LabVIEW....................................................... 421.7.2 Principios de la comunicacin con LabVIEW ............................. 421.7.3 Comunicacin y adquisicin de datos con RS-232 .................... 432. DISEO DE LA TARJETA DESARROLLADORA .................................... 452.1 Consideracin de diseo .................................................................. 452.2 Especificaciones de hardware .......................................................... 462.2.1 Unidad de programacin ............................................................ 462.2.2 Fuentes de entradas analgicas y digitales ............................... 482.2.3 Barra de 10 diodos emisores de luz ........................................... 492.2.4 Visualizador mltiple de 7 segmentos ........................................ 492.2.5 Teclado matricial y minidin PS/2 ................................................ 502.2.6 Pantalla de cristal lquido........................................................... 512.2.7 Motores de uso comn .............................................................. 512.3 Diseo de controladores para motores ............................................ 552.3.1 Manejador de motores ............................................................... 552.3.2 Estrategias para el manejo de motor DC ................................... 552.3.3 Estrategias para el manejo de motor de paso............................ 572.3.4 Estrategias para el manejo del servomotor ................................ 592.3.5 Elemento de conmutacin ......................................................... 622.3.6 Redes snubber RC .................................................................... 622.3.7 Etapa de acoplamiento .............................................................. 632.4 Esquemticos ................................................................................... 642.5 Diseo del PCB usando herramientas CAD ..................................... 772.5.1 Antecedentes de diseo de PCB ............................................... 772.5.2 Descripcin de PROTEL99 para diseo de placas PCB ............ 782.5.3 Clculo del ancho de lapista de una placa de circuito impreso 802.5.4 Circuito impreso de las tarjetas .................................................. 823. IMPLEMENTACIN DE LAS TARJETAS PARA EL ENTORNO DE LA PLATAFORMA DE DESARROLLO .............................................................. 853.1 Consideraciones generales .............................................................. 853.2 Detalles de construccin .................................................................. 863.2.1 Base aislante de la placa de circuito impreso ............................ 863.2.2 Dimetro y metalizado de los agujeros del PCB ........................ 883.2.3 Proteccin con mscara antisoldante ........................................ 903.2.4 Tcnica de serigrafa sobre las tarjetas ..................................... 903.2.5 Montaje de los componentes sobre la tarjeta de circuito impreso .. ................................................................................................... 913.3 Seales y conectores ....................................................................... 983.4 Interfases de comunicacin disponible ........................................... 1053.5 Anlisis de costos........................................................................... 1073.5.1 Costos de recursos por hardware ............................................ 1083.5.2 Costos de recursos por software ............................................. 1103.5.3 Costos por recursos humanos ................................................. 1113.5.4 Costo total del proyecto ........................................................... 1133.5.5 Estudio del costo de la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 en el mercado. ............................................................. 1134. PROGRAMACIN Y APLICACIONES ................................................... 1194.1 Ejemplos bsicos para el uso de la tarjeta de desarrollo con dsPICs .. ....................................................................................................... 1194.2 Desarrollo de programas para el control de motores con dsPICs .. 1244.3 Manejo de motores de paso utilizados en la plataforma de desarrollo . ....................................................................................................... 1334.4 Manejo de servo motores ............................................................... 1384.5 Ejemplos de comunicacin ............................................................. 1415. DATOS EXPERIMENTALES .................................................................. 1445.1 Pruebas realizadas ......................................................................... 1445.1.1 Operacin del ciclo de trabajo delos motores ........................ 1445.1.2 Comportamiento del voltaje y corriente de los motores ........... 1455.1.3 Operacin del motor DC usando controlador PI ...................... 1465.2 Datos obtenidos ............................................................................. 1475.2.1 Curvas de operacin del ciclo de trabajo de los motores ......... 1475.2.2 Curvas de comportamiento del voltaje y corriente de los motores . ................................................................................................. 1505.2.3 Curvas de operacin del motor DC usando controlador PI ...... 1515.3 Anlisis de resultados .................................................................... 1535.3.1 Anlisis de operacin del ciclo de trabajo y voltaje en los motores ................................................................................................. 1535.3.2 Anlisis de comportamiento de la corriente en los motores ..... 1535.3.3 Anlisis operacin del motor DC usando controlador PI .......... 157CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 159ANEXOS ..................................................................................................... 156BIBLIOGRAFA ........................................................................................... 216ABREVIATURASADCONxRegistro de control x del bloque analgico digital. ADCHSRegistro de seleccin de canal de entrada. ADPCFGPuerto de configuracin de registros. ADCSSLRegistro de seleccin para el anlisis. AGUUnidad generadora de direcciones. ALUUnidad lgica aritmtica. ANSIInstituto estadounidense de estndares nacionales. ASCIICdigoestadounidenseestndarparaelintercambiode informacin.BCDDecimal codificado en binario. BitUnidaddemedidadeinformacinequivalenteala eleccin entre dos posibilidades igualmente probables. Born. ExterBornera externa. CADDiseo asistido por computadora. CANT Cantidad. CFCostos fijos.CMCosto de material. CODECCodificador decodificador. CPUUnidad central de proceso. CTCostos totales. CVCostos variables.DCCorriente directa. DSCControlador digital de seales. DSPProcesador digital de seales. dsPICDispositivo con soporte para procesamiento de seales. HHoras. HEX Fichero en hexagecimal de un programa para la carga.ICD2Depurador en circuito. ICxPin de entrada del mdulo de captura del canal x.IDEEntorno integrado de desarrollo. INTInterrupcin. ITIngresos totales. I2CProtocolo de comunicacin entre integrados. kHzKilo hertz. kOhmKilo ohmio. LCDPantalla de cristal lquido. LedDiodo emisor de luz. MCUMicrocontrolador producido por Microchip. MHzMega hertz. MSPSMillones de muestras por segundo NINational Instrument. OCxCanal x del mdulo de comparacin de salida. OhmOhmio. PCComputador personal. PCBTarjeta con circuito impreso. PDCx Registro asociado al ciclo de trabajo de la seal PWM. PGCPin de envo de pulsos de reloj (ICD2). PGDPin de envo serial de datos (ICD2). PICMicrocontrolador de Microchip. PIDProporcional, integral y derivativo. PRxRegistro para perodo del temporizador x. PVTPrecio de venta total. PWMModulacin de ancho de pulso. PWM xLSeal PWM en bajo del canal x. PWM xHSeal PWM en alto del canal x. QxTransistor x tipo mosfet de canal N. RxSeal de recepcin del mdulo de comunicacin serial. RBxPin x del puerto B del dsPIC. RCxPin x del puerto C del dsPIC. RDxPin x del puerto D del dsPIC. RExPin x del puerto D del dsPIC. RFxPin x del puerto F del dsPIC. RISCConjunto de instrucciones reducidas. RPMRevoluciones por minuto. RS-232Estndar recomendado 232 para comunicacin serial. SARRegistros de Aproximacin Sucesiva. SCADAControl para supervisin y adquisicin de datos. SCKReloj de comunicacin serial (SPI). SCLReloj serial sincrnico (I2C). SDADato seriales asincrnico (I2C). SDIEntrada serial de datos (SPI). SDOSalida serial de datos (SPI). SPIProtocolo de interfase serial entre perifricos. TempTemperatura. THDMontaje a travs de agujeros. TMRx Registro de contador para temporizador x. TxCONRegistro de control del temporizador x. TxSeal de transmisin del mdulo de comunicacin serial. TxIEBits de habilitacin de interrupcin para temporizador x. TxIFBits de bandera de interrupcin para temporizador x. TxIPBits de prioridad de interrupcin para temporizador x. UARTTransmisin serial asincrnica. UAIIIngresos de la utilidad. UART Unidad de transmisin recepcin serial asincrnica. UNEUnin de normas europeas. UPSSistemas de alimentacin ininterrumpidas. USBBus serial universal. UxTXPin de transmisin del mdulo UARTx. UxRX Pin de recepcin del mdulo UARTx. U1ATxPin de transmisin del mdulo UART1 alternativo. U1ARxPin de recepcin del mdulo UART1 alternativo. U2TxPin de transmisin del mdulo UART2. U2RxPin de recepcin del mdulo UART2. VDCVoltaje de alimentacin continuo. VIInstrumento virtual. Visualiz SegxSegmento x del visualizador de 7 segmentos. Visualiz PuntoPunto del visualizador de 7 segmentos. SIMBOLOGAA/DAnalgico a digital. ACCorriente alterna. AAmperio. CiCapacitancia intrnseca. cmCentmetro. CGrado Celsius. DB9Conector de nueve pines para comunicacin serial. E/SEntradas y salidas. LiInductancia intrnseca. uFMicro Faradios. uHMicro Henrios. pFPico Faradios. VccVoltaje de control. VinVoltaje de entrada. VmotorVoltaje de alimentacin para motor DC. VoVoltaje de salida. VVoltio. 0Frecuencia de resonancia. x2Modo para medicin de posicin con encoder. x4Modo para medicin de posicin con encoder. ZImpedancia. $Dlares. NDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Diagrama de bloques del mdulo de entrenamiento ........... 12Figura 1.2 Aplicaciones DSP ............................................................. 15Figura 1.3 Disposicin de los pines del dsPIC30F4011 ....................... 21Figura 1.4 Esquema de la arquitectura Hardware del dsPIC ............... 23Figura 1.5 PWM modo complementario controlando motor trifsico AC32Figura 1.6 Valor eficaz de potencia entregada al motor ...................... 35Figura 1.7 Esquema del ciclo de trabajo del PWM .............................. 36Figura 2.1 Motor DC .......................................................................... 52Figura 2.2 Motor de paso a paso bipolar ............................................ 53Figura 2.3 Servo motor y su control interno de lazo cerrado ............... 54Figura 2.4 Esquema para manejo de motor DC .................................. 56Figura 2.5 Esquema para manejo de motor de paso ........................... 57Figura 2.6 Seales de pulso de onda cuadrada y posicin del servomotor ........................................................................................ 60Figura 2.7 Esquema del circuito de acoplamiento para el manejador del motor ................................................................................................ 64Figura 2.8 Esquemtico de la tarjeta bsica para aplicaciones con dsPIC30F4011 .................................................................................. 66Figura 2.9 Esquemtico de fuentes para el circuito de control y alimentacin de los motores .............................................................. 67Figura 2.10 Esquemtico de la unidad de control de la tarjeta ............ 68Figura 2.11 Esquemtico de conectores externos de la tarjeta para acceso al puerto ................................................................................ 69Figura 2.12 Esquemtico de la unidad de comunicacin ..................... 70Figura 2.13 Esquemtico de unidad de visualizacin .......................... 71Figura 2.14 Esquemtico de la unidad de seales digitales y analgicas......................................................................................................... 72Figura 2.15 Esquemtico de la unidad de manejo de motores ............. 75Figura 2.16 Esquemtico de la tarjeta para manejo de motores DC .... 76Figura 2.17 Diagrama del PCB de la tarjeta bsica para aplicaciones con dsPIC ......................................................................................... 82Figura 2.18 Diagrama del PCB de la tarjeta de entrenamiento con dsPIC ........ 83Figura 2.19 Diagrama del PCB del manejador de motores .................. 84Figura 3.1 Niveles de fabricacin de placas de circuito impreso .......... 87Figura 3.2 Montaje THD sobre el circuito impreso .............................. 91Figura 3.3 Esquema de conexin del puente para perifricos de visualizacin ..................................................................................... 99Figura 3.4 Esquema de conexin de los puentes para perifricos del puerto RB ....................................................................................... 101Figura 3.5 Esquema de conexin de los puentes para pulsadores con lgica configurable .......................................................................... 102Figura 4.1 Panel frontal para interfaz del control demotor ............... 142Figura 4.2 Diagrama de bloques para interfaz del control demotor .. 143Figura 5.1 CT al 50% para el motor imn permanente ...................... 147Figura 5.2 CT al 31% para el motor imn permanente ...................... 147Figura 5.3 CT al 68% para el motor imn permanente ...................... 148Figura 5.4 CT al 50% para el motor bobinado en serie ..................... 148Figura 5.5 CT al 31% para el motor bobinado en serie ..................... 149Figura 5.6 CT al 68% para el motor bobinado en serie ..................... 149Figura 5.7 Voltaje y corriente del motor de imn permanente ............ 150Figura 5.8 Voltaje y corriente del motor serie ................................... 150Figura 5.9 Respuesta del motor a inadecuados parmetros de kp y ki....................................................................................................... 151Figura 5.10 Respuesta del motor al controlador kp=10 ..................... 152Figura 5.11 Respuesta del motor al controlador kp=2 y ki=5 ............. 152Figura 5.12 Voltaje y corriente en el motor ....................................... 155Figura 5.13 Direccin de corriente durante intervalo t1-t2 ................. 155Figura 5.14 Direccin de corriente durante intervalo t2-t3 ................. 156Figura 5.15 Direccin de corriente durante intervalo t3-t4 ................. 156Figura 5.16 Direccin de corriente durante intervalo t4-t5 ................. 156NDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Distribucin de pines de los perifricos ................................. 9Tabla 1.2 Tipos dsPIC de propsito general ....................................... 17Tabla 1.3 Tipos dsPIC para control de motores .................................. 18Tabla 1.4 Caractersticas de los tipos de mdulos PWM de dsPIC ...... 19Tabla 1.5 Tipos dsPIC para control de sensores ................................ 20Tabla 1.6 Caractersticas del dsPIC30F4011 ...................................... 22Tabla 1.7 Caractersticas del mdulo UART del dsPIC30F4011 .......... 28Tabla 1.8 Declaracin de identificadores en MikroBasic ..................... 40Tabla 2.1 Secuencia normal de encendido de bobinas ....................... 58Tabla 2.2 Secuencia de bajo consumo encendido de bobina .............. 58Tabla 2.3 Secuencia de medio paso de encendido de bobinas ........... 59Tabla 2.4 Tiempos de la seal de la onda cuadrada para el posicionamiento del servomotor ......................................................... 61Tabla 2.5 Parmetros de las pistas de control .................................... 81Tabla 2.6 Parmetros de las pistas de fuerza ..................................... 81Tabla 3.1 Dimensiones delPCB de las tarjetas ................................. 88Tabla 3.2 Dimetros para agujeros metalizados ................................. 88Tabla 3.3 Dimetros del PAD de soldadura del PCB ........................... 89Tabla 3.4 Resistencias y potencimetros utilizados en la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 ..................................................... 92Tabla 3.5 Diodos utilizados en la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 .................................................................................. 93Tabla 3.6 Capacitores utilizados en la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 .................................................................................. 94Tabla 3.7 Conectores, y borneras utilizados en la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 ..................................................... 95Tabla 3.8 Integrados, zcalos y otros dispositivos utilizados en la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 ........................................................... 96Tabla 3.9Interruptores, botones y teclados utilizados en la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011 ..................................................... 97Tabla 3.10 Alimentacin de la fuente de control ................................. 98Tabla 3.11 Posicin del puente para perifricos de visualizacin ........ 99Tabla 3.12 Posiciones del puente para habilitacin del perifrico en el puerto RB ....................................................................................... 100Tabla 3.13 Posicin de los puentes para pulsadores con lgica configurable .................................................................................... 102Tabla 3.14 Posiciones del puente para habilitacin del perifrico en el puerto RE8,RF0,RF1, y F6 .............................................................. 103Tabla 3.15 Configuracin para el manejo de los motores DC y paso ........ 104Tabla 3.16 Conectores para encoder, motores dc, paso, y servo motores ........... 104Tabla 3.17 Conexin de elementos adicionales ................................ 105Tabla 3.18 Caractersticas del ordenador personal ........................... 108Tabla 3.19 Costo por recursos de hardware ..................................... 109Tabla 3.20 Costos de amortizacin del computador .......................... 110Tabla 3.21 Costo por recursos de software ...................................... 110Tabla 3.22 Costos de amortizacin de Altium designer ..................... 111Tabla 3.23 Salarios por hora del personal ........................................ 112Tabla 3.24 Costo por tarea del ingeniero ......................................... 112Tabla 3.25 Costo por tarea del tcnico ............................................. 112Tabla 3.26 Costo por recursos humanos .......................................... 112Tabla 3.27 Costo total del proyecto .................................................. 113Tabla 3.28 Costo de materiales para implementacin de latarjeta de entrenamiento segn las unidades producidas ................................. 115Tabla 3.29 Costo por el nmero de unidades producidas .................. 117INTRODUCCINElpresentedocumentocorrespondeaunproyectofinaldeltpicode graduacinPlataformaparaeldesarrollodeproyectoscondsPICsyvisin robtica con LabVIEW, este proyecto consiste en el Diseo de tarjetas para el desarrollo de aplicaciones con dsPIC. Elprimercaptulodescribeelalcancedelasespecificacionestcnicasdel sistemaaimplementarseelcualestaconstituidoportrestarjetasde entrenamiento,lascaractersticasdeldispositivodecontrol,yelsoftware utilizado para la implementacin del proyecto. Elcaptulodosexplicalasconsideracionesparaeldiseodelastarjetas entrenamiento,tambinhacereferenciaaladistribucindelosdiferentes perifricosimplementadossobrelatarjetadeentrenamiento,parafinalizar este captulo se describe el fundamento terico sobre el diseo de placas de circuitoimpresoindicandolosparmetrosrequeridosparaelclculodel ancho de las pistas de cobre para la fabricacin de las tarjetas. 2Eltercercaptuloexponelosdetallesdeconstruccindelasplacasde circuitoimpreso,ademsensealacorrectaconfiguracindelospuentes quehabilitanalosperifricosimplementadosylostiposdecomunicacin disponiblessobrelatarjetadeentrenamientocondsPIC30F4011,eneste captulotambinserealizaunanlisiseconmicodeloscostosde produccin de la tarjeta de entrenamiento. Elcaptulocuatropresentaejemplosparaelmanejodelosperifricos, motores, y de comunicacin serial, que podrn implementarse en las tarjetas.En el capitulo cinco se presenta las pruebas realizadas para el manejo de un motordecorrientecontinuaysucomportamientocuandoserealizaun control PI. Para finalizar la descripcin del documento, se expondrn las conclusiones y recomendaciones, adquiridas durante la implementacin del proyecto. CAPTULO 1 1.GENERALIDADES Y ARQUITECTURA DE LOS DSPIC 1.1Antecedentes Elestudiodelastarjetasdesarrolladorasparasistemasbasadosen microcontroladoresespartefundamentaldelaformacindelos estudiososdelamateria,debidoalasgrandesventajasqueofrecen, permitiendo el trabajo con mltiples perifricos e interfases de forma fcil y sencilla. Elproblemaqueseplanteaenesteproyectofinaldetpicoeselde encontrarunentornodedesarrollo,especficamentetarjetasque permitanelestudiodecircuitoseinterfasescondsPICs.Existen mltiplessolucionesparaesteproblemaperocadafabricantepone nfasis en sus propias caractersticas con el objeto de lograr inducir al clienteenelusodesusdesarrolladoresquefuncionanconciertos dispositivosygeneralmenteutilizandoprogramaspropietarios.El 4objetivodeesteproyectoesdesarrollarunatarjetaprincipalque permita el empleo de programas de uso comn que pueden obtenerse con facilidad y evitar los hardwares y softwares propietarios que limitan eldesarrolloamplioysinfronterasdeaplicaciones.Unatarjetaa disearseeslatarjetadeaplicacionescondsPIC30F4011,est permiteacoplarotrosmdulosconaplicacionesespecficas,talcomo eselcasodelmanejadordemotoresDC,queseutilizarnenla Plataforma de Desarrollo.La tarjeta desarrolladora a implementarse tiene como objeto principal servir de soporte tcnico y experimentacin al diseador de proyectos endondeprincipalmentesenecesitavelocidaddeprocesamientoy precisinenlosresultadosobtenidos,tomandoencuentaqueestos dispositivosmicrocontroladoresdsPIC,facilitanelmanejodeestos parmetrosteniendocomoplataformadeprogramacinlosmismos entornosusadosparalaprogramacindelosmicrocontroladores MCU comunes. Enelmercadoexistentarjetasdedesarrolloqueproporcionan prestaciones bsicas que no permiten utilizar la mayora de funciones que ofrece el dsPIC como elemento de desarrollo. Considerando que para la ejecucin de proyectos el diseador muchas veces se ve en la necesidadaadirsobrelamarchanuevasprestacionesalprototipo, 5elmismoquedebedecontarconunaplataformaquelepermita disponer de una amplia gama defunciones, es decir contar con una herramientadeapoyoquesatisfagalasprincipalesnecesidadesdel diseador.Siendomuyimportantequeestaherramientanospermita manejarloscamposdelasaplicacionesmscomunespertinentesa laarquitecturadelosdsPICslascualesmuydifcilmentepodran implementarseconlosMCUscomunesyenciertoscasosserauna tarea prcticamente imposible. Aprender a manejar y aplicar los microcontroladores slo se consigue desarrollandoprcticamentediseosreales,anmscuandonose cuentaconsimuladoresdisponiblescomoenlosmicrocontroladores clsicos,estoesprioritarioenlaconcepcindeunproyectoenlaboratorio.Porlotantolatarjetadedesarrolloseconvertirenuna herramienta invalorable para el diseador con dsPICs. 1.2Especificaciones tcnicas del sistema a implementarse 1.2.1Caractersticas tcnicas de la tarjeta Esteproyectoconsisteeneldiseoeimplementacindedos mdulosdeentrenamientobasadoendsPIC,yunatarjeta manejadora de motores DC.6Acontinuacinsedescribeenformagenerallosbeneficiosde los mdulos de entrenamientobasadosendsPIC,enlatarjeta deentrenamientocondsPIC30F4011seencuentran implementadosperifricosdeformabiendiferenciadapara fineseducativos,adicionalmenteunatarjetabsicapara aplicacionescondsPIC30F4011,tilparadesarrolloycontrol denuevasaplicacionescomoelmanejodecuatromotoresde corrientecontinualoscualespodrnmoverunsistemasde bandastransportadoras.Tambinesposibleusarlassalidas externas disponibles en los mdulos como elemento de partida paraeldesarrollodeotrasaplicacionescomoelmanejode sensoresquepodrnserconectadosdemaneraexternaal mdulo,previosurespectivoacondicionamiento,paratal propsitoelmdulocuentaconsalidasdestinadosparaesta funcin.Paraaccederdemanerafcilalsistemadesarrolladolos mdulossoportanaplicacionestipoSCADA,lascualespodrn serdesarrolladasensoftwaredestinadosparaestepropsito comoLabVIEW.Enlatarjetadeentrenamientocon dsPIC30F4011, se podrn usar este tipo de aplicaciones como elmanejodelosmotoresdepaso,corrientecontinua,y servomotores;ademsdelusodesensoresimplementadosen 7lamisma.Elmdulodeentrenamientocuentaconvarios puertosdecomunicacin,unodeesoseselpuertoserialcon estndarRS-232,eselpuertodecomunicacinusadoentreel computadorqueejecutalaaplicacinSCADAylatarjetade entrenamiento.ConrespectoalatarjetamanejadorademotoresDC,esun mdulo que puede ser acoplado a cualquiera de las dos tarjetas anteriormente descritos. 1.2.2Entradas y salidas de los mdulos LatarjetabsicaparaaplicacionescondsPIC30F4011,dispone debornerasparaconexionesdeperifricosexternos,estas borneras estn asociadas directamente con los pines deldsPIC en mencin, de tal forma poder usarlas como entradas o salidas, permitiendoqueel usuario configure por software los pines del dsPICyaseacomoentradasdigitalesoanalgicas,ocomo salidas digitales. 8EnlatarjetadeentrenamientocondsPIC30F4011,tambinse debeconfigurarlospinesdeldsPIC,perosedebedeconsiderar queexistenperifricosconectadosatravsdepuentese interruptoresalospinesdelaunidaddecontrol,considerando esto se debe elegir de acuerdo al perifrico usado cuando un pin esconfiguradocomoentrada,salidaoambosenalgunoscasos.En lasiguiente tabla se hace un bosquejo de la distribucin de los perifricos conectados a los pines del dsPIC. 9Tabla 1.1 Distribucin de pines de los perifricosde la tarjeta de entrenamiento con dspic30f4011 PIN PUERTOPERIFRICO1 2 32RB0E/S ExternaDiodo Led 1 Teclado Matricial --3RB1E/S ExternaDiodo Led 2-- 4RB2RelInterruptor1SPI-SS 5RB3 Encoder Interruptor2-- 6RB4Interruptor3-- 7RB5Interruptor4-- 8RB6Sensor Temp.Potenciometro2-- 9RB7Potenciometro1Botn2-- 10RB8Led------ 15RC13 LCD Visualiz SegABarra de led1U1ATx 16RC14Visualiz SegBBarra de led2U1ARx 23RD0Visualiz SegCBarra de led3-- 18RD1Visualiz SegDBarra de led4-- 22RD2Visualiz SegEBarra de led5-- 19RD3Visualiz SegFBarra de led6-- 38RE0E/S ExternaVisualiz SegGBarra de led7-- 37RE1E/S ExternaVisualiz PuntoBarra de led8-- 36RE2PWM 2LE/S Externa---- 35RE3PWM 2HE/S Externa---- 34RE4PWM 3LE/S Externa---- 33RE5PWM 3HE/S Externa---- 17RE8Pulsador INTE/S Externa---- 30RF0 PS/2E/S Externa---- 29RF1E/S Externa---- 26RF2Habilitador Visualiz1 / ICD2-PGC / I2C-SDA / SPI-SDI / ES Externa 25RF3Habilitador Visualiz2 / ICD2-PGD / I2C-SCL /SPI-SDO / ES Externa 28RF4U2Rx------ 27RF5U2Tx------ 24RF6BocinaBotn1SPI-SCKIO Externa -- : No disponible FUENTE: Personal10Se debe de recordar que la unidad de control es el dsPIC30F4011 y como tal maneja seales digitales tanto en laentradacomo en la salida,por lo cual su nivel voltaje en operacin normal es de5 VDCmximoode0VDCcomovalormnimo.Siendoestos valores interpretados como salidas o entradas lgicas que toman los valores de uno y cero lgico respectivamente. Respecto a las seales analgicas el dsPIC solo dispone de entradas analgicas, dicha entrada es interpretada y codificada en el interior del dsPIC a una conversin digital de 10 12 bits dentro de un determinado rango que depender de los voltajes de referencia.1.2.3Fuentes de alimentacinSerequierendosnivelesdetensindevoltajecontinuo,uno paralaunidaddecontrolyadicionalmenteotroquesuministre tensinalbloquedemotores.Respectoalaalimentacindel circuitodecontrol,estaseobtienedeunafuenteDCcon capacidaddeentregarde4.5a5.5Vyhasta1amperioenla salida, los integrados usados para este propsito son el puente rectificadorW06MyelreguladordevoltajeLM7805quenos permite obtener los parmetros de alimentacin requeridos para el circuito de control y perifricos disponibles que manejan estos niveles de tensin en la tarjeta.11En cuanto al suministro de energa para los motores esta se la obtiene de una fuente externa que alimenta con un voltaje de 6 a 24V, hasta un mximo de 5 amperios. 1.2.4Diagrama de bloques Eldiagramamostradoacontinuacindetallaladistribucindelos bloquesqueformanpartedelproyecto,comobloquecentralse encuentraimplementado el dsPIC30F4011, este se encarga de las funcionesdecontroldelosperifricosqueseencuentran implementados en la tarjeta de entrenamiento, este microcontrolador tambin estaencargado de la comunicacin con la PC.Figura 1.1 Diagrama de bloques del mdulo de entrenamiento 7.37 MHzosciladorBotn de reset Vin (6 12 VDC)ReguladorInterruptor 2:1 VUSB (4.5-5V) Vo (4.5-5 V)ProgramacinBootloaderProgramacin ICD2 Puentes 3:1Visor de 7 Seg.Barra de diodosLCDHabilitadorUnidad de controldsPIC30F4011UARTSPII2CServomotores Interruptor 2:1 Motor DC Motor de Paso Banco de InterruptoresTeclado 4x4Teclado PS/2EncoderSeales digitalesBanco InterruptorDiodo, Bocina, Rel Seales analgicas Potencimetro,E/S Externas Vmotor (6-24VDC) FUENTE: Personal 131.3Revisin histrica de los PIC y dsPIC 1.3.1Generalidades de los microcontroladores Elmundodelosmicrocontroladoresestbasadoenla tecnologadeloscircuitosintegrados,permitiendoalmacenar milesdetransistoresdentrodeunsolochip.Estofueun prerrequisitoparalaproduccindelosmicroprocesadores.Las primerascomputadorasfueronconstruidasagregando componentesexternoscomoloson:memorias,puertosde salida y entrada, contadores de tiempo, entre otros. A diferencia delosmicroprocesadoreselmicrocontroladoresuncircuito integrado programable que contiene todos los componentes de uncomputador,empleadoparacontrolarundeterminado proceso,sureducidotamaofacilitasuinstalacinenel elementoagobernar,estosedenominacontroladorembebido. Siendouncomputadordedicado,sologobiernaunaaplicacin determinadaprogramadaensumemoria,susentradasy salidas soportanconexiones de sensores y actuadores. Enlaactualidadlosmicrocontroladoreshansolucionadoun grannmerodeproblemascomoenelhogar,industrias,yen diversas reas de aplicacin. 14Esnotablelagranaceptacinenelmercadoporpartedel microcontrolador,peroconelavancevertiginosodela tecnologahansurgidonuevasreasdeaplicacinexistiendo problemasdondesueficienciaenprecisinyvelocidadseve limitada, siendo estos dos parmetros crticos al momento de su implementacin, a pesar de que el PIC es considerado como un computador completo. 1.3.2Por qu el dsPIC? LosDSPoProcesadoresDigitalesdeSealessurgieroncuandolatecnologapermitisufabricacinylasaplicaciones enelmanejodesealeslorequirieron.LosDSPson procesadoresdigitalescuyodiseohasidoenfocadopara soportarlasespecificacionesdeltratamientodeseales,que porsuimplicacinencampostecnolgicosmsdemandados recientemente,suponedisponerdeundispositivoprogramable conrecursosfsicosylgicosprecisosparalasexigenciasde dichasreas,comolatelefonamvil,laelectromedicina, aplicaciones robticas, el procesamiento del sonido y la imagen, internet, el control de motores, y la instrumentacin. 15FUENTE: Instituto Tecnolgico de Puebla, MxicoDSP Aviacin Medicina MultimediaTelefona MilitarIndustrial Ingeniera Monitoreo y Control de procesos CAD yherramientas de diseo Adquisicin de datos Anlisis EspectralSimulacin y modelamiento Compresin de sonido e imagen Efectos especiales de pelculas Llamadas y video conferenciaFotografaArea Compresin de datos Anlisis de sensores inteligentes Diagnsticos de imgenes. Electrocardiogramas Presentacin de Imgenes MdicasCompresin de datos y voz Reduccin de eco Multiplexacin y filtrado de sealesRadar, Sonar Seguridad de comunicacin Ordenes GuiadasFigura 1.2 Aplicaciones DSP Los microprocesadores digitales y microcontroladores de 8,16 y 32bitsnotienenlacapacidaddeprocesareficientementelas tareasqueelprocesamientodigitaldesealesexige, procedindoseareforzarsusarquitecturas,seampliel repertoriodeinstruccionesyselesintegrconnumerosos perifricoscomplementarios para dar lugar a los dsPIC. LacompaaMicrochipTechnologyInc.,constituyeunodelos fabricantesqueenlosltimosaosenlacomercializacinde losmicrocontroladoresde8bits,actualmentetieneala disposicin de sus clientes unos nuevos componentes llamados 16dsPIC,quelespermiteintroducirseenlasaplicaciones contemporneasdelprocesodigitaldesealesdeforma sencillabasadaenarquitecturasyrepertoriosdeinstrucciones conocidos.EldsPICesuncontroladordigitaldeseales(DSC)queesta basadoenlascaractersticasmspotentesdelos microcontroladoresde16bitsyqueincorporalasprincipales prestacionesdelosDSP,loquefacilitaenormementela transicinentrelosdiseosclsicosylosmscomplejosy propios del procesamiento digital de seales. 1.3.3Familias de dsPIC Microchiphadivididolosdiferentesmodelosdelaserie dsPIC30Fentresfamiliascaracterizadasporsureade aplicacin, nombradas a continuacin: Familia de dsPIC de propsito general LafamiliadepropsitogeneraldsPIC30Futilizadaen aplicacionesembebidasquerequierenunMCUde16-bits.Adems,lasvariantesconinterfasesparaCODECestn especialmenteindicadasparaaplicacionesdeaudio.Latabla 17mostrada a continuacin detalla las caractersticas de propsito general de la familia dsPIC30F: Tabla 1.2 Tipos dsPIC de propsito general DISPOSITIVOP i N MEMORIAFLASH SRAMEEPROM ENTRADAS MODO CAPTURA BYTESINSTRUCC dsPIC30F301440/4424kB8kB2048 B1024 B2 dsPIC30F401340/4448kB16kB2048 B1024 B4 dsPIC30F50116466kB22kB4096 B1024 B8 dsPIC30F601164132kB44kB6144 B2048 B8 dsPIC30F601264144kB48kB8192 B4096 B8 dsPIC30F50138066kB22kB4096 B1024 B8 dsPIC30F601380132kB44kB6144 B2048 B8 dsPIC30F601480144kB48kB8192 B4096 B8 DISPOSITIVO SALIDAMODO COMPARADORINTERFAZ C ODECA/D 12-BIT 100KsUART SPI I2C CANLINEAS E/SdsPIC30F301421321130 dsPIC30F40134AC97,1 13211130 dsPIC30F50118AC97,1 16221252 dsPIC30F6011816221252 dsPIC30F60128AC97,1 16221252 dsPIC30F50138AC97,1 16221268 dsPIC30F6013816221268 dsPIC30F60148AC97,1 16221268 FUENTE: Hoja de datos dsPIC30FFamilias dsPIC para el control de motoresLafamiliadelosdsPC30Frenesietemodelosparasoportar aplicacionesdecontroldemotorestantodecorrientecontinua, deinduccinmonofsicaytrifsica,pudiendotambinser utilizadosensistemasdealimentacinininterrumpidas(UPS), 18fuentesdealimentacinconmutadas,inversores.Siendo adecuado en aplicaciones donde el algoritmo para el control de motores es de elevada complejidad.Tabla 1.3 Tipos dsPIC para control de motores DISPOSITIVOPINESMEMORIAFLASH SRAMEEPROM ENTRADA MODOCAPTURA SALIDAMODO COMPARABYTEINSTRUCC dsPIC30F20102812kB4kB512 B1024 B42 dsPIC30F3010 2824kB8kB1024 B 1024 B42 dsPIC30F4012 2848kB16kB2048 B 1024 B42 dsPIC30F3011 40/44 24kB8kB1024 B 1024 B44 dsPIC30F4011 40/44 48kB16kB2048 B 1024 B44 dsPIC30F5015 6466kB22kB2048 B 1024 B44 dsPIC30F6010 8044kB48kB8192 B 1024 B88 DISPOSITIVO CONTROL MOTORES A/D 12-BIT 500KspsCODIFICADOR CUADRATURA UART SPII2CCAN LINEAS E/SdsPIC30F20106 canales6 canalesS11120 dsPIC30F30106 canales6 canalesS11120 dsPIC30F40126 canales6 canalesS111120 dsPIC30F30116 canales9 canalesS21130 dsPIC30F40116 canales9 canalesS211130 dsPIC30F50156 canales16 canalesS121152 dsPIC30F60108 canales16 canalesS221268 FUENTE: Hoja de datos dsPIC30F19LafamiliadelosdsPIC30disponededossubfamiliasparael controldemotores,unaesdegamabajaqueincorpora mdulosPWMdeseissalidas,yotradegamasuperiorcon8 salidas.Lasiguientetablamuestralascaractersticasdelos mdulos PWM de las dos subfamilias: Tabla 1.4 Caractersticas de los tipos de mdulos PWM de dsPIC CARACTERSTICAS PWM 6SALIDAS (gama baja) PWM 8 SALIDAS (gama alta) Pines E/S68 Generadores PWM34 Pines de fallo12 Generadores de tiempo muerto12 FUENTE: Hoja de datos dsPIC30FFamilia de dsPIC para el control de sensores LafamiliadesensoresdsPIC30Ftienecaractersticas diseadasparasoportaraplicacionesembebidasdealtas prestacionesydebajocostos.Losencapsuladosde18-y28-pines estn diseados para aplicaciones crticas en espacio. 20Tabla 1.5 Tipos dsPIC para control de sensores DISPOSITIVOPINESMEMORIAFLASH SRAM EEPROMENTRADAS MODO CAPTURA BYTESINSTRUCC dsPIC30F20111812kB 4kB1024 B2 dsPIC30F30121824kB 8kB2048 B1024 B2 dsPIC30F20122812kB 4kB1024 B2 dsPIC30F30132824kB 8kB2048 B1024 B2 DISPOSITIVO SALIDAS MODO COMPARADORINTERFAZ CODEC A/D 12-BIT 100Ksps UART SPII2CLINEAS E/S dsPIC30F301128 canales11120 dsPIC30F301228 canales11120 dsPIC30F2012210 canales11120 dsPIC30F3013210 canales21120 FUENTE: Hoja de datos dsPIC30F1.4Estructura de los dispositivos El principal componente del sistema de control es el microcontrolador dsPIC30F4011, el cual tiene un ncleo RISC con arquitectura Harvard modificada de 16 bits. Su estructura se puede separar en tres partes: microprocesador, integracin del sistema y perifricos. 21FUENTE: Hoja de datos Microcontrolador 30F4011Figura 1.3 Disposicin de los pines del dsPIC30F4011 La CPU tiene palabras de instruccin de 24 bits con un campo variable para el cdigo de operacin. Tiene adems 16 registros de trabajo que juntoconinstruccionestipoMCUyDSPrealizablesenunciclode instruccin proveen una gran rapidez y complejidad de clculo.La memoria de datos puede contener 32 mil palabras o 64 mil bytes que se separan en dos bloques cada uno con su propia AGU (generadores dedirecciones).LaarquitecturaDSPcontieneunmultiplicadorde17 bits,unaALU,dosacumuladoresde40bits,unregistrode desplazamientobidireccionalde40bits,todoestopermiterealizarun procesamiento de seales en tiempo real de manera ptima. EldsPIC30F4011formapartedelafamiliadsPIC30Fparaelcontrolde motores en su arquitectura tiene potentes unidades internas que favorecen esta funcin entre las que se encuentran: seis canales de PWM con salidas independientesocomplementariasconunabasedetiemposdedicada, 22posibilidad de controlar la polaridad de las salidas, generacin de tiempos muertos, etc. Tambin se dispone de mdulo de deteccin de seales de encoder en cuadratura con un contador interno de 16 bits. Tabla 1.6 Caractersticas del dsPIC30F4011 CARACTERSTICASCAPACIDAD Frecuencia de operacinEC a 40 MHz Memoria de Instruccin (Bytes)16 K Memoria dePrograma FLASH48 K Memoria de Datos RAM (Bytes)2 K Memoria EEPROM (Bytes)1 K Fuentes de Interrupcin30 Puertos de Entrada/Salida5 (Puerto B,C,D,E,F) Instrucciones Bsicas83 Temporizadores de 16 bits5 Adicionalmente timers de 32 bits2 Mdulos de PWM6 Comunicaciones SerialesSPI,I2C,UART,CAN Canales de Conversin Analgica Digital de 10 bits 9Mdulo Encoder de Cuadratura de 16 bits1 MOTOR DSP Mul t i pl i cadorrpi do17X17bi t s.Regi st rodedespl azami ent ode40bi t s.Sumadorrest adorde40bi t s.Dosregi st rosacumul adoresde40bi t s.Modosdeoperaci n: redondeoysat uraci nl gi ca.Todasl asi nst rucci onessondeunsol oci cl o.FUENTE: Hoja de datos dsPIC30F4011TodoslosprocesadoresdelosdsPICincorporanensuprocesador las siguientes caractersticas: a)Arquitectura Hardware: posee dos memorias una para datos y otra para instrucciones. b)ProcesadorRISC:poseeunconjuntodeinstrucciones optimizadas para soportar el lenguaje C. 23FUENTE: Microcontroladores Avanzados, Mxico Autor Jos Mara Anguloc)Caucesegmentado:permitiendoelevarelrendimientodel procesador,consiguiendoasqueunainstruccinempiecea ejecutarse antes de que hayan terminado las anteriores y, por tanto,quehayavariasinstruccionesprocesndose simultneamente.d)IntegracindeRecursospropiosdeDSP:elaportems considerableeselmotorDSP,facilitandolaresolucinde operaciones matemticas complejas, en los algoritmos para el rpido procesamiento de seales. Figura 1.4 Esquema de la arquitectura Hardware del dsPIC 24Seobservaeneldiagramaladivisindedosgrandesbloquesde memoria,lamemoriadeprogramaFLASHdireccionadaporel contadordeprogramadePC,elsegundobloqueformadoporla memoriaRAM de datos subdividida en dos partes X y Y, controlados por los generadores de direcciones AGU X y AGU Y. Tambin existe un Banco de registros de 16 bits que alimenta almotor DSP. Acontinuacinserevisanlascaractersticasmsrepresentativasde cada uno de los elementos del microcontrolador dsPIC, los puertos de entradaysalidas,ademsdelosperifricoscomplementariosal procesador: 1.4.1Motor DSP ElmotorDSPesunbloquedelhardwareconrecursos matemticosqueproporcionanalprocesadorlaposibilidadde realizaroperacionesdegranvelocidad,quegeneralmentese emplean en el tratamiento se seales digitales. El motor DSP el cualrecibelosdatosdesdeunarregloderegistros(W),los mismosquedireccionanelbloqueALUdelmicrocontrolador. Aunquenoesposibleunmanejosimultneodeinstrucciones paralaALUyelmotorDSP,eldsPICpuederesolveresto mediante el manejo adecuado del juego de instrucciones. 251.4.2Temporizadores LostemporizadoresincorporadosenlosdsPIC30Fsonde16 bits,cuyosregistrosasociadossonTMRx(contador),PRx (perodo),yTxCON(registrodecontrol).Ademslosbitsde interrupcionesasociadoscomoTxIE(habilitacinde interrupcin),TxIF(flagdeinterrupcin),TxIP(3bitsde prioridad de la interrupcin). Existen tres clasificaciones de tipos de temporizadores A, B y C de 16 bits, algunos se pueden encadenar y formar 32 bits. Los detipoA(timer1)puedefuncionarconelosciladordebajo consumo de 32kHz, de forma asncrona con un reloj externo. El timer2y4sondetipoB.mientrasqueeltimer3y5 correspondenaldetipoC.nicamentelosdeltipoByCse pueden concatenar para formar los temporizadores de 32 bits. 1.4.3Mdulo de captura de entrada. El mdulo de captura de entrada del dsPIC30F4011 tiene cuatro entradasparalacapturaIC1,IC2,IC7,IC8,siendomuyusado enaplicacionesdondesenecesitemedirfrecuenciasopulsos deperiodosdetiempo,tambincomounafuenteadicionalde interrupcin externa, el funcionamiento de este mdulo se basa 26enponerenmarchayleerelvalordeuntemporizadorcuando sucede un evento determinado en un pin de entrada, el tiempo delecturaescontroladoporlostimer2otimer3.Lascaractersticas operacionales principales son: i.Modo simple de captura de eventos. ii.Modo de eleccin del timer2 y timer3. iii.Interrupcin provocada por evento de captura de entrada. 1.4.4Mdulo de comparacin de salidas. Elmdulodecomparacinsalidadisponede4canales, pudiendoserusadosenaplicacionesdondeserequieran generacindesealesdigitalesconanchodepulsovariable,enlaactualidadseencuentranendesarrolloaplicacionesque permitan mejorar los factores de potencia por medio del uso de este mdulo. Entre las caractersticasoperacindelmdulode comparacindeldsPIC30F4011seencuentran:posibilidadde usartemporizador23,mododecomparacinsimple,modo de comparacin doble,modulacin por ancho de pulso. 1.4.5Conversor Analgico Digital de 10 bits ElmduloA/Destaconstituidopor9canalesdeentrada,con convertidorde10bitsanalgico-digital(eldsPIC30F4011no 27disponeconversincon12bit),yunavelocidaddeconversin de500Kbps,basadoenarquitecturaSAR(Registrosde Aproximacin Sucesiva). Lasentradasanalgicasinteriormenteseencuentran multiplexadas y conectadas a amplificadores, las salidas de los amplificadoressonconectadascomoentradasdelbloque convertidorA/D,esteltimoeselencargadodegenerarnuestroresultadofinal.ElbloqueconvertidorA/D,poseeseis registrosde16bits:tresregistrosdecontrol(ADCONx),un registrodeseleccindecanaldeentrada(ADCHS),puertode configuracin de registros (ADPCFG), y un registro de seleccin para el anlisis (ADCSSL). 1.4.6Mdulos de comunicacin UART, SPI, I2C, CAN. Para poder comunicarse con otros dispositivos, adems de los puertos de E/S los microcontroladores disponen de una serie de mdulos de comunicacionesquelepermitenconectarseadistintosbuseso canales de comunicaciones estndar: UART, SPI, I2C, y CAN.ElmdulodeTransmisinRecepcinUniversalAsincrnico (UART),eselmduloserialbsicodisponibleenlafamiliade los DsPIC30F, UART es sistema dplex asincrnico que puede 28comunicarsecondispositivosperifricosascomointerfaces RS-232,yRS-485.Lasprincipalescaractersticasdelmdulo UART se describen en la siguiente tabla: Tabla 1.7 Caractersticas del mdulo UART del dsPIC30F4011 CARACTERSTICASCAPACIDAD Bidireccionala travs de UxTX y UxRX8 9 bits de datos Opciones de parida y no paridad (8avo bit)1 bit Bit de parada1 2 bits GeneradorBaud Ratepreescalar 16 bits Transmisin de datos en buffer4-word Recepcin de datos en buffer4-word Separacin de instrucciones Rx y Tx Deteccin de error de paridad FUENTE: Hoja de datos dsPIC30F4011Otra opcin de comunicacin es lainterfazserialdeperifricos (SPI),esunmdulodecomunicacinserialsincrnicoentre dispositivosperifricoscomootrosmicrocontroladores, registros,manejadordevisualizadores,etc.Lacantidadde mdulosdeSPIdependedelmodelodeldsPIC,elmodelo dsPIC30F4011 tiene un mdulo SPI. Adicionalmentesedisponeunbusdecomunicacionesserial sincrnicaI2C(Interconexindecircuitosintegrados).Utiliza nicamentedoshilosparalatransferenciadeinformacinentrelos elementosqueseacoplanalbusqueson:lneabidireccionalde datos SDA (dato serial), y reloj de sincronizacin SCL (Reloj Serial).29ElmduloI2CdelDsPIC30F4011proveeunhardwareque permitetrabajarenmodoEsclavoyMulti-Master,coninterface de 16 Bits. Este mdulo posee las siguientes caractersticas: a)El mdulo I2C, soporta operaciones de Maestro y Esclavo. b)El modo I2C Esclavo, soporta direcciones de 7 y 10 bits. c)El modo I2C Maestro, soporta direcciones de 7 y 10 bits. d)ElpuertoI2Cpermitetransferenciabi-direccionalentre Maestro y Esclavo. El mdulo de comunicacin CAN, es una interfaz serial til para permitircomunicacionesmltiplesconotrosmdulosCANo microcontroladoresdentrodeambientesruidosos,elprotocolo CAN2.0A/BconespecificacionesdefinidasporBOSCH,esta conformadodeunprotocoloparamotoresyunbuffer mensaje/control,manejamotoresmediantefuncionespara recibirytransmitirmensajes.Durantelatransmisinlos mensajessoncargadosaunregistrodedatoslainformacin quesevaaintercambiarsedescomponeenmensajes,alos cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas parasutransmisin.Cadamensajetieneunidentificadornico dentrodelared,conelcuallosnodosdecidenaceptarono dichomensaje,sepuedeverificarelestadodelosdatosy 30erroresenlacomunicacinmediantelosregistrosdestinados para estos propsitos. 1.4.7Mdulo encoder de cuadratura Estemdulonosofreceunainterfazparamanejodeunencoder incremental,paraobtenerdatosquedeterminanlaposicindeun mecanismo rotatorio. Entre las caractersticas del mdulo se encuentran: a)Trescanalesdeentrada;dossonsealesdefaseyun pulso para referencia de inicio de giro. b)Contador de posicin incremental y decremental de 16 bits. c)Medicin de posicin en modo x2 y x4. d)Filtro digital programable para ruido. e)Modo Timer/Counter de 16 bits. 1.4.8Mdulo control de motor PWM ElmduloPWMfacilitalageneracinysincronizacinde modulacindeanchodepulso,eneldsPIC30F4011permite dos tipos de modulacin de ancho de pulso estas se encuentran agrupadas en modulacin PWM de uso comn, y el PWM para elcontroldemotores,paraelprimertipoutilizacanalesde comparacindecuatrosalidasPWMdenotadosporOCx,yel siguiente dispone canales PWMxL y PWMxH, una caracterstica 31particularesdeestetipodemodulacineselpodertrabajarde manera independiente o complementaria. ElciclodetrabajodelPWMtienetresregistrosdefunciones especiales de 16 bits, usados para especificar el valor del ancho depulso(PDCx),dichoregistroestaasociadoconlos generadoresPWMxLyPWMxH.Estemdulopermiteobtener sealesPWMparaelcontroldemotoresapartirdeformasde ondasdedostipos:triangularesyrampa,ademspermite actualizarcontinuamenteelvalordelregistrodetrabajo. OpcionalmentesedisponedeunasalidaPWMOverride,esta permite al usuario manejar las salidas PWM de manera manual e independiente los estados lgicos de lasmismas. 1.5Campos de aplicacin 1.5.1Generalidades Losmdulosimplementadoscuentanconunpotente microcontrolador desarrollado especficamente para el control de motores entre las ms interesantes aplicaciones se encuentran el controldemotoresdeinduccintrifsico,sncronosde reluctanciavariable,corrientecontinua,porlocuallatarjeta dispone de salidas externas (ver tabla 1.1), las cuales podrn ser usadasparalaconexindemdulosdecontrolexternodelos 32FUENTE:Microcontroladores Avanzados, Mxico Autor Jos Mara Angulo motores antes mencionados. Un diseo bsico del control de un motor de trifsico AC se muestra en la figura 1.5 Figura 1.5 PWM modo complementario controlando motor trifsico AC Paraelcontroldemotoresseharusodelaintegracindelas siguientes aplicaciones desarrolladas, una esta basada en el manejo deunencoderdecuadraturamuytilparaconocerparmetrosde rotacin del motor, y la otra aplicacin esta basada en el control de motores mediante modulacin PWM.331.5.2Codificador de encoder de cuadratura Un encoder es un sensor electro-opto-mecnico que unido a un eje,proporcionainformacindelaposicinangular.Sufin,es actuarcomoundispositivoderealimentacinensistemasde controlintegrado,elencoderdetipoincrementalesmuy utilizadoparaladeteccindelaposicinylavelocidadde movimientosrotativoscomoenlosmotores.Estetransductor estaformadoporunaruedaranuradaensuperifrica, conectadaalejedelmotoryunmdulodetector/emisor formados por diodos leds y fotodiodos, los cuales reciben el haz luminosodelledcuandoentreelemisoryelreceptorsecruza unaranuradeldisco,estassealesllamadasfaseA,faseB,y una seal adicional llamada pulso Z, nos dan la informacin que permitecalcularladireccindelgirodelejeysuvelocidad.La frecuencia de fase A, fase B depende de la velocidad de giro, y elsentidoseidentificaobservandoelsignodeladiferenciade fases, es decir cuando la fase A adelanta la fase B, entonces la direccin o giro del motores positiva (hacia delante), si la fase AestaatrasadadelafaseB,entoncesladireccinogirodel motores negativa (hacia atrs), mientras que la seal pulso Z 34indicaunpulsoporrevolucin.Laprincipallimitacindeeste tipodeencoderesquedespusdeuncortedeenerga,la posicin absoluta es desconocida. 1.5.3Control de motores DC mediante PWM Elmovimientodemotorelctricoseconsiguemediantela variacincontinuadeuncampoelctricoomagntico, dependiendodeltipodemotor,paraobtenerasuncampo rotatorio,estavariacincontinuaseconsiguealimentando adecuadamente los embobinados del rotor o del estator, segn eltipodemotor,yvariandodichacorrientedealimentacinse consigue variar la velocidad del motor, un mtodo utilizado para lograr este propsito es mediante PWM.PWMsonlassiglasdepulsewidthmodulationomodulacin poranchuradepulsos,eldsPICincorporaestafuncin hardwarequesepuedeutilizarparaconseguirunasalida analgicaapartirdeunapartirdelavariacindelvaloreficaz unasealdigital,estoseconsiguemodulandolaanchurade pulso de un tren de onda cuadrada, (ver figura 1.6).35Periodo de Seal AnchodepulsoValormedioFUENTE: PersonalFigura 1.6 Valor eficaz de potencia entregada al motor Paraunpulsomsanchoelvaloreficazdelasealesmayor queparaunpulsomsestrecho,porlotantovariandola anchuradeltrendepulsosdelasealdigitalsepuede conseguirunasealcuyovaloreficaz(valormedio)varede formadeseada,esdecirlaregulacindemotoresDCest basadaenelcontroldelaalimentacinentregadaalmotor. MediantelamodulacinPWMsecontrolalacorrientede alimentacindelmotor,laenergaquerecibeelmotorser proporcional a la relacin entre la parte alta (habilita corriente) y baja(cerocorriente)delciclodelaondacuadrada,esdecir, variandolaanchuradepulsodelaseal,varalapotencia entregada al motor. Controlando esta relacin se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable.36FUENTE: PersonalFigura 1.7 Esquema del ciclo de trabajo del PWM 1.6Entornos de desarrollo 1.6.1Eleccin del compilador Enelmercadoexistenmuchasalternativasparala programacindelosmicrocontroladores,pudiendocontarcon herramientasdedesarrolloylibrerascompatiblesconla arquitectura de los dsPIC. Empresas como Microchip, Hitech PICc, CCS, Mikroelectrnica estnentrelascompaasfabricantesmsconocidospresentandocadaunasugamadecompiladores,eneste proyectoseescogicomocompiladormikroBasicunproducto deMicroelectrnicabasadoenlenguajeBASICpara 37microcontroladoresPICylosdsPIC,queestaconquistando cadavezamsprogramadoresyquellevatiempoenel mercado.LaempresaMikroelectrnicadistribuyeunaseriede compiladoresparamicrocontroladores,entrelosquese destacanelmikroCymikroBasic.Lacaractersticasms destacadasdeestoscompiladoreseslainclusindeunIDE (entornodedesarrollointegradooeninglsIntegrated DevelopmentEnvironment)quehacemuycmodala programacin,yaqueresaltalasintaxisdellenguaje, proporcionaunaccesomuyrpidoalaexcelenteayuda incluida,estadsticassobreelusoderecursosdel microcontrolador, y muchas ventajas adicionales. Un recurso que nos ofrece Mikroelectrnica es que nos permite descargarunaversingratuitadelcompilador,queapesarde estarlimitadoenlageneracindecdigoa2Kb.,esmsque suficienteparamuchosproyectos,ysobretodo,sirve perfectamenteparaquepodamosejecutarnuestroproyectode tpico.ProbablementemikroBasicseaelentornoquesoporta ms modelos de micros y adems dispone de un enorme grupo delibreras,divididasencomunicacionesRS-232,RS-485e 38I2C;tecladosPS/2,conexionesUSB,interfazparapantallade cristal lquido, etc.1.6.2Entorno del compilador elegido Respectodelaorganizacininternadelprograma,debemossaber queesnecesarioquelaspartesquecomponenelprograma (funciones,rutinas,etc.)siganciertasreglasensuescritura.Noes necesarioquetodasestnpresentes.Lasseccionesqueson obligatoriassonprogramyelbloquemain-end.Lasdems opciones,sololasusaremossilasnecesitamos.Acontinuacinse muestra la organizacin de un programa realizado en mikroBasic: 39Program Incluye 'Declaraciones'(globales, disponibles en todo el programa): 'Simbolos symbol ...'Variables dim ...'Constantes const ...'Procedimientos sub procedure nombre_del_procedimiento(...) ... end sub'Funciones sub function nombre_de_la_funcion(...) end sub'Programa principal: main: 'Aqu escribimos nuestro cdigo end.40Las instrucciones ms elementales de este programa son:Comentarios: el cdigo usando el apostrofe ' . Estos pueden irsolosenunalnea,oacontinuacindeunainstruccin.Su utilidadespoderrealizarunadescripcindetalladadeloque realiza determinadas instrucciones, por ejemplo: ADPCFG=$FFFF 'Digitales RB15 a RB0 Identificadores:Sonlosnombresdenuestrasvariables, procedimientos,funciones,constantes,etc.EnmikroBasiclos nombres de identificadores pueden contener letras desde la a hasta z y desde la A hasta Z, el guin bajo (_) y los dgitos del 0 al 9, estas no son case-sensitive, es decir que Total, total y TOTAL son nombres de la misma variable, y podemos usarcualquieradeellosporigual.Elprimercaracternopuede serundigito,adems,losnombresdelosidentificadoresno permiten palabras reservadas, por ejemplo Tabla 1.8 Declaracin de identificadores en MikroBasic CorrectosIncorrectos Temperatura11Temperatura'Comienza con un digito aux_12 Aux.12'Contiene un punto rele_on_on 'Comienza con un guin bajo HumedadHumedad% 'Contiene un carcter invalido (%) 41Variables: Las variables son objetos cuyo valor puede cambiar con la ejecucin del programa. Cada variable tiene un nombre nico, que se ajuste a las reglas definidas mas arriba para los identificadores. Deben declararse con dim antes de ser usadas, y su mbito de validez vara de acuerdo a la seccin en que se declaran. La sintaxis de dim es:dim lista de variables as tipo Lalistadetiposdisponiblesincluyen:Byte/chart(8bits,con valoresde0a255),short(8bits,convaloresde-127a128), Word (2 bytes, o 16 bits, con valores de 0 a 65535), integer (16 bits, con valores de -32768 a 32767), longword / dword (32 bits,0..4294967295),Longint(32bitsconvaloresdesde-2147483648a2147483647),yfloat(32bitsconvaloresde1.17549435082x10-38a6.80564774407x1038.Algunos ejemplos validos de dim son:dim i, j, k as bytedim contar, temp as worddim cadena as longint[100]En el anexo B de describe la instalacin y creacin de un nuevo proyecto en mikroBasic.421.7Adquisicin de datos por LabVIEW 1.7.1Generalidades de LabVIEW LaplataformadeLabVIEW(LaboratoryVirtualInstrument EngineeringWorkbench)esunaaplicacinparaeldesarrollo deprogramasempleandounlenguajedeprogramacingrfico (G) creando programas en forma de diagramas de bloques. Los programascompiladosenestetipodeambientesonllamados instrumentos virtuales (VI) porque en su apariencia y operacin essimilarainstrumentofsicoreal.UnVIsecomponededos partes,ordenadasenpantallasdiferentes,unoeseltablero frontal(frontpanel)yelotroeldiagramadebloques(block diagram). El tablero frontal, es la parte interactiva del programa conelusuariofinal,personalizadoutilizandocontrolese indicadores tales como: perillas, botones, indicadores, pantallas grficasydispositivosdeentrada.Despusdeconstruirla interfaz de usuario, se debe programar el diagrama de bloques, usandolosVIincorporadosenlaslibrerasLabVIEW,siendo este diagrama de bloquesel cdigo fuente del panel frontal. 1.7.2Principios de la comunicacin con LabVIEW LabVIEW posee herramientas para controlar la mayor parte de los protocolos de comunicacin usados en las computadoras, como el 43TCP, UDP, serial, paralelo, IrDA, Bluetooth o SMTP, su capacidad para realizar transmisin de datos (distancia, voltaje y corriente de salida) est limitada por las caractersticas propias del protocolo de comunicacinusado,deltipodepuertoydeldispositivodesalida conectadodirectamentealacomputadora.Losdatospueden introducirseusandoelratnoeltecladodelacomputadoraenel tablero frontal y los resultados del proceso pueden ser vistos en la pantalla de la computadora. 1.7.3Comunicacin y adquisicin de datos con RS-232 La tarjeta desarrolladora nos permite mediante comunicacin serial la interaccin entre LabVIEW y datos provenientes del exterior, este tipodeinstrumentacinvirtualaumentalaproductividady disminuyeloscostosparaaplicacionesdemedicindentrodel entornoindustrial,siendoposibleutilizarunVIenaplicaciones dondeserequieredelprocesamientodeentradas,comovisin, comunicacionesconhardwareindustrialpudiendocontrolary monitorear estos procesos, con ello es posible realizar adquisicin de datos, analizar mediciones y generar reportes de los resultadosde sus aplicaciones por medio de la creacin de archivos, adems es posible establecer comunicacin con dispositivos externos para control conectados directamente al computador. CAPTULO 2 2.DISEO DE LA TARJETA DESARROLLADORA 2.1Consideracin de diseo Enestecaptulosedescribirlaestructuradelatarjeta desarrolladora,losperifricosimplementadosenlamisma,lostipos de motores que se han usado para el desarrollo de prcticas basadas enelcontrolenlazoabiertomediantesealesprovenientesdel dsPICpara la regulacin de velocidad y giro en motores de corriente continua,depaso,yservomotores,implementadosenlatarjeta desarrolladora.Sedebetambinrecalcarquenosolamentese puede trabajar con motores de corriente continua sino que adems la tarjetadispone de salidas externas en las cuales se puede incorporar unmduloquepermitatrabajarconmotorestrifsicodecorriente alterna, esta una de las posibles aplicaciones a desarrollarse a futuro. 46Respectoalaseleccindelmicrocontroladorausarseeneldesarrollo delatarjetaentrenadorasehaelegidoeldsPIC30F4011degama media, su encapsulado exterior luce como cualquier microcontrolador de40pines,sinembargoensuinteriorlahistoriaestotalmentediferente, estepotentedispositivoqueposeemillonesdecircuitoselctricos completamenteestructuradosofrecindonos:velocidad,potencia, manejoflexibledeinterrupciones,unampliomanejodefunciones perifricas,ademsdelasprestacionesdelDSP,estadiseado especficamenteparasoportaraplicacionesdecontroldemotores, alcanzandounnivelderendimientomuycercanoaldelos microcontroladoresde32bitsyalosDSP,siendosupreciomuy ventajoso, constituyndose en un nuevo comienzo del control embebido.2.2Especificaciones de hardware 2.2.1Unidad de programacin Elmicrocontroladorseleccionadoademsdeofrecervelocidad de procesamiento y precisin deresultados, tiene la alternativa de poder usar un programa de carga conocido como bootloader queocupaciertaposicindelamemoriadeprogramaycuyo nicoobjetivoeseldepermitirlacargadeprogramas ejecutables.Detalformaqueunprogramadorexternose utilizar slo una vez para cargar el bootloader, luego de esto el 47dsPICesubicadonuevamenteenlatarjetayelmtodode programacindelmicrocontroladoresatravsdelpuertode comunicacinserial(UART1alternativo),quiendeallen adelanteseencargardelastareasdeprogramacin,este mtodoesunadelasalternativasparalaprogramacindel dsPIC usado en las tarjetas. ElbootloaderutilizadoconeldsPIC30F4011seubicaenlas ltimasposicionesdelamemoriaflashdeprogramadel microcontroladoryreposicionalosvectoresdeinterrupcin mediante punteros. Arranca cuando alimentamos el procesador yesperauncomandoporunpuertodecomunicacinsinolo recibe contina con la ejecucin normal de nuestro programa. Si lo recibe comienza a recibir el programa del usuario a travs del puertodecomunicacinyagrabarloenlamemoriaflashde programadelmicrocontroladordelatarjeta.Estacaracterstica es especialmente importante en un laboratorio educativo donde setendraaccesodirectoaladisponibilidaddeprogramacin sinnecesidaddeextraerelmicrocontroladordelatarjeta desarrolladoraaunmdulodedicadonicamenteala programacin,brindndolealdiseadormsseguridady facilidadalmomentodecambiosenelprograma,ademsde serunahorroeconmicoalmomentodeelegirlaunidad 48programadoradeldsPIC,estoesuntpicoproblemaenlos laboratoriosdedesarrolloporquemuchasvecesnosecuenta conlosprogramadoressuficientesynecesariosdondeun mismo dispositivo dsPIC debe ser grabado una y otra vez para larealizacindepruebas,pornodisponerdeunsoftwareque simuleelproyectoqueserealiza,elprocesodecargapor medio de bootloader se explica en el anexo A. Sin embargo de presentarselanecesidadderealizarlaprogramacindel microcontrolador haciendo uso del programador externo Pickit2 sehaimplementadoenlatarjetadeentrenamientocon dsPIC30F4011lainterfazICD2quedandodisponibleun conector RJ12 (6 pines) para su respectiva conexin. 2.2.2Fuentes de entradas analgicas y digitales Latarjetadisponedeentradasdigitalesyanalgicas,estas entradascompartendeterminadospinesdeunmismopuerto deldsPICquepuedeserconfiguradocomodigitaloanalgico. Dadoquecompartenlamismaentrada,esnecesariodisponer de algn mecanismo que permita elegir una entrada o la otra, o inclusoningunaenelcasodeutilizarsealesexternas.Para ellosehanutilizadopuentesquepermitenelegirlastres posibilidades:analgico,digitalydesconectado.Hay3fuentes 49internasdesealesanalgicas:dosdeellasson potencimetrosquepermitenseleccionarcualquiertensin entre0y5Voltios.Laltimafuenteanalgicadisponibleviene de un sensor de temperatura, que entrega una salida lineal con la temperatura. Con relacin a las fuentes digitales de entradas sehanimplementadomediante4interruptores,y3 micropulsadores.2.2.3Barra de 10 diodos emisores de luzSehaelegidounabarradediodosemisoresdeluz(leds)para reducirelespacioenlatarjeta,labarraofrece10salidas digitales, y esta conectado un diodo por cada bit de un puerto. 2.2.4Visualizador mltiple de 7 segmentos Sedisponedecuatrovisualizadoresde7segmentos,existen variasposibilidadesdecontroldeestetipodevisualizador mltiple,perosehaoptadoporlamultiplexacin,yaque permiteintroducirconceptoscomolarealizacinde interrupcionesderefresco,durantelaejecucinnormaldeun programa.502.2.5Teclado matricial y minidin PS/2Es importante disponer de entradas por medio de teclados, el de tipomatricialestanormalmentecodificadoubicandolasteclasen unamatrizdefilasycolumnas.Todaslasfilasycolumnasson muestreadas peridicamente por un controlador a una frecuencia suficientementealtaparapoderpercibircualquiercambioenel teclado.Una de las alternativas que ofrece la tarjetade entrenamiento es el manejo de teclado matricial, que ofrece 2*n teclas por cada n bits. Tambin se encuentra disponible una entrada PS/2, en la cual se tiene la posibilidad de conectar un teclado del mismo tipo. El teclado 4x4 correspondiente a 16 teclas (de igual manera se puede conectar un teclado 4x3), est conectado a un puerto del microcontrolador. Los 4 bits ms significativos sern conectados a las filas, y los 4 menos significativos a las columnas. En tanto eltecladoPS/2nicamenteutilizadospinesdel microcontrolador,estedisponede104teclasparaPCesun dispositivo razonablemente inteligente. Esto quiere decir que l mismo se encarga de la parte hardware del rastreo de teclas, de evitarlosinsufriblesrebotesydetransmitirlos,medianteuna trama perfectamente establecida, de los resultados de nuestras 51manipulacionessobresusteclas.Alpresionarunatecla,se produceuncontactoelctricoentrelafilaylacolumna,las sealeselctricassontransmitidasauncontrolinternodel teclado, que enva un cdigo (BCD, ASCII o Unicode) al dsPIC describiendo el caracter que corresponde a dicha tecla. 2.2.6Pantalla de cristal lquido Elltimopasohaciaunvisualizadordemedianacomplejidadlo constituyelapantalladecristallquido.Hayotraspantallasms sofisticadas,perohaypocasqueseantanverstiles,estndares, econmicas, y fciles de usar. La pantalla de la tarjeta es de 16X2 y est conectada a los puertos del microcontrolador, distribuyndose entre ellos el bus de datos y las seales de control. 2.2.7Motores de uso comn Existengrancantidaddemtodosparaproducirelmovimiento fsicodeunmecanismo.Sistemasneumticosquetrabajana partirdeairepresurizado,lossistemashidrulicosqueutilizan fluidosapresinylossistemaselctricosqueutilizanmotores paraconvertirlaenergaelctricaenenergamecnica (movimiento). Los motores son mquinas capaces de transformar la energa almacenada en combustibles, bateras u otras fuentes, 52enenergamecnicacapazderealizaruntrabajo.Eneste proyectofinaldetpicoseusarmotoresdeusofrecuenteen aplicacionesparamicrocontroladores:DCdeimnpermanente, con bobinado en serie,el motor de pasos, y servomotor. ElmotorDCodecorrientecontinuadepequeotamao,son idealesparanuestrocaso;nosloporsureducidocosto,sino tambin,porsurazonableeficiencia,versatilidadygran aplicabilidadalosprocesosindustriales.LosmotoresDC,son ampliamenteutilizadosenaplicacionestalescomolarobtica, mecatrnica y en sistemas de control.Estos motores sern los encargados del movimiento y control de direccin de las bandas transportadorasusadasenltpico,porloqueesnecesario controlar la velocidad y el sentido de giro.Figura 2.1 Motor DC FUENTE: Foto personal53El motor de pasos llamado tambin stepper motor, es un motor alimentadocontensincontinua(DC)yconviertelospulsos elctricosaplicadosensusbobinasenmovimientos rotacionalesdiscretos.Puedengirarcontinuamenteosloun ngulollamadopaso.Debidoaestoresultanmuyprecisosy confiables,seempleancomnmenteenaplicacionesdondeel posicionamientomecnicoresultasermuyimportante.Son idealescuandosetienequegirarunejeydetenerloencierta posicinconunaprecisindehastacentsimasdemilmetros. Enstaposicinpuedepermanecerbloqueado,hastarecibir unanuevaordendegiro.Unadesusprincipalesventajases quenonecesitandesensoresparadeterminarlaposicindel eje,yaqueseconocelaposicinporlasecuenciadepulsos que se han enviado a las bobinas. Figura 2.2 Motor de paso a paso bipolar FUENTE: Foto personal54Unservomotor,esunmotordecorrientecontinua(DC) especializado,elcual,puedesercomandadoparaquegirea unaposicindeterminada.Tieneuncircuitodecontrol construidoensuinteriorqueserealimentaentodomomento conlaposicindesurotor.Destaformapuedellevaracabo una auto-regulacin. En lugar de rotar continuamente como los motores comunes de DC, un servomotor puede ser posicionado enviando las seales apropiadas al servo a un punto especfico y ste quedarse fijo en esa posicin.Los servos poseen un conector para 3 cables: Uno de alimentacin, unodetierrayelcabledecontrol.EnelservomotorFUTABAdispone de tres alambres son de color rojo, negro y blanco, dos de los cuales son alimentacin (rojo y negro), que puede ir desde 4.8V a6.0V,enestecasosetrabajaconunvoltajede5V,eltercer alambre(blanco)esdecontrolconectadoaldsPICelmismoque genera una seal necesaria para el funcionamiento del servo. Figura 2.3 Servo motor y su control interno de lazo cerrado FUENTE: Foto personal552.3Diseo de controladores para motores 2.3.1Manejador de motores Losmanejadoresparamotoressonusadosensistemasque manejan pequeas cantidades de vatios hasta cientos de kilovatios, existenvariosmtodospararegularlavelocidaddelosmotores elctricos: regular tensin,intercalando resistencias, modulacin de latensindealimentacinmedianteelprocedimientode modulacin por anchura de pulsos (PWM), en motores de corriente alternasepuedeactuarsobrelafrecuencia.Enesteproyectode tpico seha usado lamodulacin por anchura de pulsos (PWM) a travs de un puente H, debido a su rendimiento y control dinmico quemuchasvecessuperanalosmanejadorescomunespara motores dc. 2.3.2Estrategias para el manejo de motor DC El circuito de control para el manejo del motor DC est basado enunarreglodeunpuenteH"constituidoporcuatro transistoresQ1,Q2,Q3,yQ4detipomosfetcanalN controladosporeldsPIC30F4011implementadoenlatarjeta,los transistores trabajan en pares. Los transistores que realizan laconmutacinsonhabilitadosporlacompuerta,atravsde unasealPWMquehasidoconfiguradaensoftwareparaque 56esta seal que entrega el dsPIC trabaje en modo independiente esdecir,lospinesPWM2LyPWM2HdeldsPIC,envanla mismasealalostransistoresQ1yQ4,mientrasquelos transistores Q2 y Q3 permanecen deshabilitados, haciendo que elmotorgireensentidohorarioaunadeterminadavelocidad correspondientealvoltajeeficazsuministradoalmotor,(ver figura1.6).Demaneraanlogaalprocedimientoanteriorse puede hacer girar el motor en sentido antihorario habilitando los transistoresQ2yQ3,mientraslostransistoresQ1yQ4 permanecen deshabilitados, en la figura 2.4 se ilustra el circuito para el manejo de un motor DC. Figura 2.4 Esquema para manejo de motor DC FUENTE: Robot Builders Bonanza MUR8100MUR8100 MUR8100MUR8100 572.3.3Estrategias para el manejo de motor de paso Paracontrolarelmovimientodelmotordepasounipolar empleado en el proyecto, se ha realizado un circuito de control basado en transistores mosfet canal N, que ser el responsable de convertir las seales de avance de un paso y sentido de giro enlanecesariasecuenciadeenergizacindelosbobinados ubicadosenelestatordelmotor,lograndoproducirelavance porpasosdelmotor,siseinvierteelordendeestasecuencia, selograqueelmotorgireensentidoopuesto,silospulsosde alimentacin no se proveen en el orden correcto, el motor no se mover apropiadamente. La conmutacin de los transistores es controladaexternamenteporeldsPIC30F4011,enlasiguiente figura se presenta el esquema utilizado para el motor de paso. Figura 2.5 Esquema para manejo de motor de paso FUENTE: Robot Builders Bonanza 58Comosemencionalprincipioesnecesarioqueelmotor recibanunadeterminadasecuenciadeenergizacindesus bobinados,existiendotresposibilidadespararealizarlo: secuencianormal,secuenciadebajoconsumodecorriente, secuencia de medio paso.La tabla 2.1 muestra la secuencia normal, siendo esta la ms usada y normalmente recomendada por el fabricante, debido a que siempre estn encendidas dos bobinas se obtiene un alto torque de paso y de retencin. Tabla 2.1 Secuencia normal de encendido de bobinas PASO Bobina A Bobina B Bobina C BobinaD1EncendidoEncendidoApagadoApagado 2ApagadoEncendidoEncendidoApagado 3ApagadoApagadoEncendidoEncendido 4EncendidoApagadoApagadoEncendido FUENTE: PersonalEn la siguiente secuencia mostrada en la tabla 2.2 se activa una bobinaalavez,consumiendomenoscorriente,aunque tambin se obtiene un menor torque de paso y de retencin. Tabla 2.2 Secuencia de bajo consumo encendido de bobinaPASO Bobina ABobinaBBobina CBobina D 1EncendidoApagadoApagadoApagado 2ApagadoEncendidoApagadoApagado 3ApagadoApagadoEncendidoApagado 4ApagadoApagadoApagadoEncendido FUENTE: Personal59Por ltimo se puede usar la secuencia de medio paso en la cual seactivanlasbobinasdetalformaseobtieneunmovimiento igualalamitaddelpasoreal,paraelloseactivanprimerodos bobinasyluegosolounayassucesivamente.Adiferenciade las secuencias anteriores que nicamente ofrecen cuatro pasos,esta consta de ocho pasos como se muestra en la tabla 2.3 Tabla 2.3 Secuencia de medio paso de encendido de bobinasPASO Bobina ABobina BBobina CBobina D 1EncendidoApagadoApagadoApagado 2EncendidoEncendidoApagadoApagado 3ApagadoEncendidoApagadoApagado 4ApagadoEncendidoEncendidoApagado 5ApagadoApagadoEncendidoApagado 6ApagadoApagadoEncendidoEncendido 7ApagadoApagadoApagadoEncendido 8EncendidoApagadoApagadoEncendido FUENTE: Personal2.3.4Estrategias para el manejo del servomotor Realizarelcontroldemovimientodelservomotorusadoeneste proyecto resulta una tarea que no requiere de un manejador adicional, porque en su interior se encuentra el diseo electrnico necesario para manejar este tipo de motores, es decir el control de su posicin se lo haceenviandounpulsocontinuodeondacuadradaprovenientedel dsPIC al motor a travs del cable de control,el tiempo que permanece en alto este pulso indica la posicin en que el servomotor se ubicara, en 60la tabla 2.4 se indica los tiempos en alto y en bajo que debe de tener la seal cuadrada para que el servomotor se mueva a una determinada posicin. Estos motores trabajan a una frecuencia constante de 50 Hz es decir a un periodo de 20000us, por ejemplo si queremos posicionar al servomotor a la posicin central (90),debemos enviar un pulso de onda cuadrada de1500 us en alto y de 18500 us en bajo, esta seal debe ser peridica para mantener dicha posicin. Sielanchodepulsodisminuyeelmovimientodelservomotorser antihorario, por ejemplo si el pulso en alto es de 500 us el servomotor se posicionara en cero grados como se lo muestra en la figura 2.6,pero en cambio si el ancho de pulso aumenta el movimiento ser horario. Figura 2.6 Seales de pulso de onda cuadrada y posicin del servomotor FUENTE: http:// robots-argentina.com.ar 61Tabla 2.4 Tiempos de la seal de la onda cuadrada para el posicionamiento del servomotor GRADOS TIEMPOS DELPULSO (us) EN ALTOEN BAJO 050019500 555619444 1061119389 1566719333 2072219278 2577819222 3083319167 3588919111 4094419056 45100019000 50105618944 55111118889 60116718833 65122218778 70127818722 75133318667 80138918611 85144418556 90150018500 95155618444 100161118389 105166718333 110172218278 115177818222 120183318167 125188918111 130194418056 135200018000 140205617944 145211117889 150216717833 155222217778 160227817722 165233317667 170238917611 175244417556 180250017500 FUENTE: Personal 622.3.5Elemento de conmutacin Elinterruptordepotenciausadoenlaconstruccindelmanejador delatarjetadeentrenamientocondsPIC30F4011eseltransistor mosfetIRF530yelIRF3710paralatarjetacomplementaria manejadorademotoresDC,estosconmutadoreselectrnicos tienentresterminalesidentificadascomo:compuerta,drenadory surtidor,sondispositivoscontroladosporvoltajeaplicadoentre compuertaysurtidor,lacorrientequecirculaporlacompuertaes casi nula debido a que esta unida mediante un aislante por lo que tendrunaimpedanciamuygrande,sinembargodurantelas conmutaciones si existir circulacin de corriente por la compuerta. Lacorrientequeentregaeltransistormosfetdependedelvoltaje aplicadoentrecompuertayelsurtidor,ynodelacorrienteque circula por la compuerta como ocurre con los transistores bipolares.Debidoasuscaractersticasdeconstruccinlosmosfetnos permiten que las conmutaciones se realicen en tiempos muy cortos. 2.3.6Redes snubber RC Lasredessnubbersoncircuitosqueabsorbenenergausados para eliminar picos de voltajes causados por las inductancias de los circuitos cuando estos conmutan, sean mecnicos o con un transistor.Elobjetivodeestaredesproporcionaruncamino 63alternoparaquelacorrientefluyaatravsdel.Existen funcionesimportantesquerealizaestecircuitoentrelascuales se encuentran: crear un camino alterno durante la conmutacin para mantener un modo seguro de operacin para el transistor, removerlaenergadeltransistordurantelaconmutaciny disiparlaenunaresistenciaparareducirlatemperaturadela juntura.En cuanto a la seleccin del capacitor y resistencia de la red se debeelegirunaresistencianoinductivaevitandoaquellasque estnformadasporespiras,unabuenaeleccinesunresistor compuesto de carbn, una resistencia de este tipo es ideal para elcircuito.Sedebedimensionarelcapacitorparasoportarlos altospicosdecorrienteenelsnubber,paravaloresde capacitanciaarribade0.1uFconsiderarcapacitoresdemica, paravaloresaltosdecapacitanciaconsiderartipos polipropileno. En anlisis de las dimensiones de la resistencia y capacitor de la red snubber se explica en el anexo D.2.3.7Etapa de acoplamiento Un manejador es un sistema capaz de gobernar eficazmente la conduccin y no conduccin del interruptor de potencia (mosfet IRF530,3710)partiendodelasordenesquellegandelcircuito 64decontrol(dsPIC30F4011),debidoaqueloscircuitosde potenciayloscircuitosdecontrolnomanejanlosmismos niveles de tensin y corriente, ser necesarioutilizar unaetapa de acoplamiento de voltajes, corrientes e impedancias, para ello seutilizoptoacopladoresparaqueelmicrocontroladoryel mosfet puedan interactuar. Figura 2.7 Esquema del circuito de acoplamiento para el manejador del motor 2.4Esquemticos Enlafigura2.8tenemoselesquemticodelatarjetabsicapara aplicacionescondsPIC,quetieneincorporadobornerasexternas paraaccederalospuertosdeldsPICconlafinalidaddefacilitarel manejo de seales para el controlde nuevas aplicaciones. Respecto alosesquemticosdelatarjetadeentrenamientocon Fuente: PersonalCircuito de excitacin (manejador) Salida de control (sin potencia) Salida del manejador (con potencia) Circuito de control 65dsPIC30F4011,semuestrandesdelafigura2.9hastalafigura2.15 con la distribucin de los distintos perifricos y sus conexiones con el microcontrolador,estosesquemticosdescribenlosdiferentes mdulos que se encuentran integrados en la tarjeta de entrenamiento como son: la fuentes para el circuito de control y alimentacin de los motores, la unidad de control de la tarjeta, conectores externos de la tarjeta para acceso al puerto de la unidad de control, el esquemtico delaunidaddecomunicacionesbsicasimplementadaenlatarjeta, launidaddevisualizacin,launidaddesealesdigitalesy analgicas,finalmentesemostrarlaunidadparaelmanejodelos motoresaplicandounatcnicadetroceadordevoltajequeconsiste enmantenerunadiagonalpermanentementeabierta,y proporcionandounciclodetrabajoalosotrosdosinterruptores (abrindolosycerrndolosalavez),deestamanerasepodra cambiarvelocidaddelmotor,ydependiendodeladiagonalutilizada para el troceado de voltaje se cambiaria sentido de giro. La figura 2.16 muestra el esquemtico del manejador de motores DCquepermiteusarcualquiertcnicadetroceoclaseE,comopor ejemplomodulacindeanchodepulsoyconmutacindevoltaje bipolar, unipolar, entre otras. Figura 2.8 Esquemtico de la tarjeta bsica para aplicaciones con dsPIC30F4011 Figura 2.9 Esquemtico de fuentes para el circuito de control y alimentacin de los motores Figura 2.10 Esquemtico de la unidad de control de la tarjeta Figura 2.11 Esquemtico de conectores externos de la tarjeta para acceso al puerto Figura 2.12 Esquemtico de la unidad de comunicacinFigura 2.13 Esquemtico de unidad de visualizacin Figura 2.14 Esquemtico de la unidad de seales digitales y analgicas Figura 2.15 Esquemtico de la unidad de manejo de motores Figura 2.16 Esquemtico de la tarjeta para manejo de motores DC 772.5Diseo del PCB usando herramientas CAD 2.5.1Antecedentes de diseo de PCB El tradicional trazado de pistas de cobre se realiza empleando una hoja cuadriculada transparente de gua, sobre la cual se colocaba unacintaopacaconlaquesetrazanlaspistas,eltrabajoselo realiza al doble del tamao natural y luego se reduce por medios fotogrficos, de esta forma cualquier error cometido en el trazado queda tambin reducido, durante la elaboracin del trazado de las pistas es muy comn usar mltiples hojas transparentes para las diferentes capas del trabajo, como para el ruteado de las pistas de cobre, las referencia de los componentes, los puntos de taladrado, entreotros;esteprocesohacedifcillascorreccionesposteriores al diseo.Actualmentelatecnologanosofreceprogramasdediseo asistidosporcomputadoraparalaconcepcindeestetipode trabajos,adiferenciadelosmtodosmanualesdediseo, estasherramientasnospermitendistribuireinterconectarlos componentesademsdeirrealizandopruebasymejorandoel diseo,estosprogramasalmacenaninformacinrelacionada coneldiseo,facilitandolaedicinparasumejoramientoo comopuntodepartidadeunnuevoproyecto,paraeste 78proyecto se escogi el programa PROTEL99 como herramienta dediseodelPCBdelastarjetasdelosmdulosa implementarse. 2.5.2Descripcin de PROTEL99 para diseo de placas PCB ElprogramaPROTEL99setratadeunsistemadediseo completoparaelentornoWindows,queproporcionaun conjuntodeherramientasformadasporungestorde documentosintegrado,uncapturadordeesquemticos,un simuladoranalgicobasadoenSPICE,unsimuladordigital basadoenCUPL(lenguajesimilaraORCAD/PLD),una herramientadediseodeplacasdecircuitoimpreso(PCB)y muchas otras funciones que nos facilitan el diseo del PCB.Enesteproyectodefinaldetpiconicamenteseutilizla herramientadediseodeplacasdecircuitoimpreso,laparte ms importante de esta herramienta de diseo es la librera de componentesquepuedesersencillaocomplejadeacuerdoa lasnecesidadesdeldiseador,paraobtenerelPCBdelas placasPROTEL99haceusodesusherramientasintegradas comoelcapturadordeesquemticosconherramientasde diseodePCB,elcualtieneenlacesquedefinencomoun smbolodelesquemticoserelacionaconunsmbolodePCB, 79estaherramientarealizaelprocesamientodelesquemtico generandounficherodenetlistenelqueseencuentratodala informacin de los componentes que sern usados para crear el PCBpormediodelprogramaderuteado.Despusdecrearel ficheronetlistsedebedefinireltamaodelosexterioresdela placaylosagujerosdemontajenecesariosenelPCB,segn losrequerimientosdelcircuitoelctricoyelectrnico,luegose procedeaexaminarelnetlist,esteprocesoanalizalos componentes utilizados de las libreras y los coloca uno encima de otros en el origen del dibujo posteriormente se procede a la correctaubicacindeloscomponentes,cuandosemueveun componente a una zona libre de la placa, se observa las lneas quelounenaotroscomponentes,estaslneassirvenpara encontrarladisposicinmsadecuadaconrespectoalos dems componentes. Finalizada la adecuada disposicin de los componentes sobre el rea de la placa se procede a realizar el ruteado automtico donde ser ubicado el cobre que conectara los diferentes componentes. 802.5.3Clculodelanchodelapistadeunaplacadecircuito impresoElclculodelanchoquedebetenerunadeterminadapistade uncircuitoimpresoestabasadoenlaaplicacindelestndar generalparalafabricacindecircuitosimpresosANSI-ICP 2221desarrolladoporlaIPC(Associationconnecting electronics industries). Paraelclculodeunadeterminadapistaserequiereconocer tresparmetrosrelacionadosconlapista:lacorrientemxima quesoportaralapistaserrepresentadaenamperios,el incrementomximodetemperaturaarribadelatemperatura ambiente que soportara la pista expresado en grados Celsius, el grosor de la pista es decir la altura de la pista respecto a la base de la placa y ser expresado en onzas por pie cuadrado. En las tarjetasdesarrolladasenelproyectosehaconsiderado1 amperiocomocorrientesmximaspermisiblesquecircularn sin daar las pistas de control, 5 amperios en la pistas de fuerza paraelcasodelatarjetadeentrenamientocondsPIC,yun mximo de 6.5 amperios en las pistas de la tarjeta manejadora de motoresDC, tambin se consider en el diseo de todas las tarjetasquenosegenerarunincrementodetemperatura 81mayora10Cconrespectoalatemperaturaambiente,por ltimo el grosor de las pistas en las placas ser de 1 onza/pie235micras.EnelanexoC,seencuentranlasecuaciones utilizadasparadeterminarlosresultadosmostradosenlas siguientes tablas. Tabla 2.5 Parmetros de las pistas de control DATOSCorriente1A Espesor del cobre1onza/pie2Temperatura mxima35C Temperatura ambiente25C ANCHOPISTAExterna0,2489mm Interna1,0126mm Tabla 2.6 Parmetros de las pistas de fuerza DATOS Corriente56,5A Espesor del cobre11onza/pie2Temperatura mxima3535C Temperatura ambiente2525C ANCHO PISTA Externa2,71824,01mm Interna9,047612,92mm 822.5.4Circuito impreso de las tarjetas Los circuitos impresos obtenidos estn diseados a doble cara, es decir las pistas de cobre estarn distribuidas tanto en la parte dearribacomodeabajodelatarjeta,enlassiguientesfiguras semuestranlosPCBsparalatarjetabsicaparaaplicaciones con dsPIC y de la tarjeta de entrenamiento con dsPIC30F4011.Figura 2.17 Diagrama del PCB de la tarjeta bsica para aplicaciones con dsPIC 83Figura 2.18 Diagrama del PCB de la tarjeta de entrenamiento con dsPIC 84Figura 2.19 Diagrama del PCB del manejador de motores CAPTULO 3 3.IMPLEMENTACINDE