Sistema de control embebido conectable a PC : diseño y aplicaciones prácticas

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA PROYECTO FINAL DE CARRERA 2009 - 2010 Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas ALUMNO: ION LADARESCU DIRECTORES: ÁNGEL RODAS ÁNGEL VALERA EMPRESA: INDENOVA TUTOR EMPRESA: JORDI GISBERT Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 1 Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 2 ÍNDICE 1. Introducción.............................................................................................................. 6 1.1. Introducción...................................................................................................... 7 1.2. Objetivos......................................................................................................... 10 2. Desarrollo Teórico.................................................................................................. 12 2.1. Microcontroladores......................................................................................... 13 2.2. Protocolos de comunicación........................................................................... 21 2.2.1. PWM....................................................................................................... 21 2.2.2. DMX....................................................................................................... 24 2.2.3. USB ........................................................................................................ 27 2.3. Sistemas de control embebido........................................................................ 31 2.3.1. Aplicaciones lúdicas............................................................................... 31 2.3.2. Sistema de iluminación profesional........................................................ 33 2.3.3. Sistema de navegación móvil................................................................. 35 3. Desarrollo práctico ................................................................................................. 37 3.1. Desarrollo del dispositivo genérico. Pic18f4550............................................ 38 3.2. Desarrollo de aplicaciones de control y monitorización desde PC ................ 46 3.3. Desarrollo de aplicaciones de control embebido............................................ 52 3.3.1. Control de autómatas mecánicos............................................................ 53 3.3.2. Control de proyectores de iluminación................................................... 58 3.3.3. Control de un vehículo tipo quad ........................................................... 62 4. Conclusiones........................................................................................................... 71 4.1. Conclusiones................................................................................................... 72 4.2. Trabajos futuros.............................................................................................. 72 5. Bibliografía............................................................................................................. 73 Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 3 ÍNDICE FIGURAS Figura 1 Sistema............................................................................................................... 7 Figura 2 Interfaces............................................................................................................ 8 Figura 3 Encapsulado DIP o DIL................................................................................... 14 Figura 4 Encapsulado FLAT-PACK. ............................................................................. 14 Figura 5 Encapsulado SOIC........................................................................................... 14 Figura 6 Encapsulado LPCC.......................................................................................... 15 Figura 7 Encapsulado LCCC.......................................................................................... 15 Figura 8 Evolución del mercado de los microcontroladores y previsiones.................... 18 Figura 9 Estructura general de un microcontrolador...................................................... 19 Figura 10 Arquitectura Von Neuman............................................................................. 19 Figura 11 Arquitectura Harvard ..................................................................................... 19 Figura 12 Prestaciones del Pic18f4550 para el dispositivo genérico ............................. 20 Figura 13 PWM.............................................................................................................. 21 Figura 14 Esquema empleo PWM.................................................................................. 22 Figura 15 Simulación del control de un motor AC con PWM....................................... 22 Figura 16 El balanceador de señal DMX........................................................................ 24 Figura 17Estructura del protocolo DMX........................................................................ 24 Figura 18 SuperSpeedUsb3.0......................................................................................... 27 Figura 19 Esquema conectores usb 3.0 .......................................................................... 27 Figura 20 La evolución del Usb ..................................................................................... 28 Figura 21 Esquema conectores Usb................................................................................ 30 Figura 22 Juguetes que incorporan microcontrolador.................................................... 31 Figura 23 Proyectores Dmx de ultima generación ......................................................... 33 Figura 24 MACBOR ATV 49 mini................................................................................ 35 Figura 25 Familias de microcontroladores Pic............................................................... 38 Figura 26 Bloques estructurales del Pic 18f4550........................................................... 39 Figura 27 Bloques funcionales del dispositivo genérico................................................ 41 Figura 28 Componentes del dispositivo genérico........................................................... 42 Figura 29 Programador PICkit2 ..................................................................................... 45 Figura 30 Módulos del firmware y la intercomunicación. ............................................. 47 Figura 31 Principales funcionalidades de la aplicación software................................... 48 Figura 32 Clases de la aplicación.................................................................................. 50 Figura 33 El violinista – autómata electromecánico ...................................................... 54 Figura 34 Figura circuito servo ...................................................................................... 54 Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 4 Figura 35 Figura servo desmontado............................................................................... 55 Figura 36 Diagrama de clases control autómatas........................................................... 56 Figura 37 Esquema balanceador de señal para Dmx...................................................... 58 Figura 39 Los dimmers: antés y ahora. .......................................................................... 59 Figura 40 Dimmer: exterior, interior y un solo canal..................................................... 60 Figura 40 Software de control y monitorización............................................................ 61 Figura 41 El vehículo quad con los actuadores montados y en fase de experimentación. ................................................................................................................................ 62 Figura 42 El servo que actúa sobre el freno del quad..................................................... 63 Figura 44 Motor DC para el control de la dirección Quad............................................. 65 Figura 44 Disposición de los datos en el vector de bytes............................................... 67 Figura 45 Diagrama lógica del firmware........................................................................ 68 Figura 46 Clases de la aplicación de control y monitorización...................................... 69 Figura 47 Esquema componentes del quad. ................................................................... 69 Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 5 ÍNDICE TABLAS Tabla 1 Microcontroladores de la familia M68HC05 de Motorola................................ 16 Tabla 2 Microcontroladores de la familia M68HC08 de Motorola................................ 16 Tabla 3 Microcontroladores ATMEL de 8 bits.............................................................. 16 Tabla 4 Microcontroladores de STMicroelectronics de 8 bits. ...................................... 16 Tabla 5 Microcontroladores de Microchip de 8 bits. ..................................................... 17 Tabla 6 Tabla de tiempos para el protocolo DMX......................................................... 25 Tabla 7 Tabla conexionado cable.USB .......................................................................... 30 Tabla 8 Comparativa de prestaciones de Pic con conectividad Usb .............................. 41 Tabla 9 Equivalencias digital - analógico....................................................................... 66 Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 6 1. Introducción. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 7 1.1. Introducción. La aparición de los ordenadores ha marcado un cambio importante en todos los sectores de la vida, desde aplicaciones lúdicas hasta procesos industriales. Los ordenadores controlan y monitoriza las actividades, almacenando y procesando datos además de reducir sustancialmente el tiempo de cálculo. Pueden realizar tareas programadas e intercambiar datos a larga distancia lo que abre el abanico de posibilidades de uso. ´ Las necesidades de automatizar pequeñas tareas, reducir el tamaño y el coste ha desencadenado la aparición de una nueva familia de circuitos integrados: los microcontroladores. En realidad ellos son ordenadores en miniatura. Los encontramos en los juguetes, en los electrodomésticos y hasta en las tarjetas de control industrial. Las diferencias y similitudes entre los dos logros de la tecnología hacen que los ordenadores y los microcontroladores se complementen mutuamente. Con una comunicación a alta velocidad entre ellos se puede conseguir control en tiempo real de amplia variedad de accionadores y actuadores. La realización de un soporte físico para el microcontrolador, de fácil conexionado a sus puertos, respaldado por una plantilla de programación, hace que el microcontrolador sea mucho más fácil de acceder, programar y utilizar. En el presente proyecto abordaremos temas diseño e implementación de rutinas para control por ancho de pulso, adquisición de datos y la implementación del protocolo de comunicación Dmx además del diseño y realización del dispositivo genérico basado en microcontrolador. El sistema Para una vista general sobre el sistema explicamos el siguiente esquema estructural: Figura 1 Sistema La parte que controla el sistema es el Pc que transmite los datos al dispositivo a través del Usb. El dispositivo procesa los datos y en función de las tareas Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 8 maneja los actuadores del periférico directamente o encapsula los datos y los reenvía al circuito acondicionador de señal del periférico. El dispositivo también adquiere datos y los envía a PC a través del Usb o los procesa y maneja el periférico en función de ellos, según el modo de funcionamiento programado. El PC visualiza los datos, tanto los del periférico como los capturados por la adquisición de datos. El dispositivo puede ser programado a través del puerto ICSP (In Circuit Serial Programming) por intermedio de un programador para incluir nuevas funcionalidades o actualizaciones del firmware. Podemos describir el sistema como compuesto por varias interfaces que interactúan en cadena. Esquema de interfaces Figura 2 Interfaces A continuación explicaremos el sistema a través de sus interfaces. En la primera interfaz, el usuario introduce los datos de control para el periférico. Estos son procesados por el software. El puente entre las dos primeras interfaces es el software junto a tres archivos: .sys con información para el sistema, .inf, con información del dispositivo y .dll con funciones para la comunicación entre el Pc y el dispositivo. En la segunda interfaz, los datos son encapsulados y transmitidos al dispositivo a través de las funciones de la librería dinámica para acceso a hardware. El firmware del dispositivo procesa estos datos preparándolos para ser entendidos por el periférico. El puente entre las interfaces siguientes es el firmware en si que se encarga de recibir y procesar datos, además de manejar los puertos de entrada, salida y procesar datos adquiridos. En la tercera interfaz, los datos son transmitidos según el protocolo requerido. El periférico puede facilitar datos de su estado y enviarlos al dispositivo. Estos datos son adquiridos por el dispositivo y procesados. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 15 Encapsulado LPPC. Se emplea en técnicas de montaje superficial pero, generalmente, montados en zócalos, esto es debido a que por la forma en J que tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite su uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. La distancia entre terminales es de 1,27 mm. Figura 6 Encapsulado LPCC. Encapsulado LCCC. Al igual que el anterior se monta en zócalo y puede utilizarse tanto en montaje superficial como en montaje de taladro pasante. Se fabrica en material cerámico. Figura 7 Encapsulado LCCC. Los encapsulados anteriormente señalados son los más importantes y los más utilizados, aunque no los únicos que existen. Principales fabricantes Algunos de los fabricantes más importantes y especializados en microcontroladores son los siguientes: • Motorola Semiconductors Corp. • Atmel Corp. • Microchip Technology Corp. • STMicroelectronics Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 16 Familia de microcontroladores de 8 bits M68HC05 de Motorola: DISPOSITIVO RAM EEPROM TIMER A/D WMM I/O MHZ TENSIÓN 68HC05B8 176 256 4 8-8b 2 32 1,2.1 3.3-5V 68HC05B16 352 256 4 8-8b 2 32 1,2.1 3.3-5V 68HC05B32 352 256 4 8-8b 2 32 1,2.1 3.3-5V 68HC705B16 528 256 4 8-8b 2 32 2.1,4 3.3-5V 68HC705B32 528 256 4 8-8b 2 32 1,2.1 3.3-5V 68HC05X16 352 256 4 8-8b 2 32 2.2 5V 68HC05X32 528 256 4 8-8b 2 32 2.2 5V 68HC705X32 528 256 4 8-8b 2 32 2.2 5V Tabla 1 Microcontroladores de la familia M68HC05 de Motorola. Familia de microcontroladores de 8 bits M68HC08 de Motorola: DISPOSITIVO RAM TIMER A/D PWM I/O MHZ TENSIÓN 68HC08JK8 256 2 10-8b 2-16B 15 8 3V 68HC908JL8 256 2 13-8b 2-16b 26 8 3V 68HC08JL8 256 2 13-8b 2-16b 26 8 3V 68HC908KX2 192 2 4-8b 2-16b 13 8 3-5V 68HC908KX8 192 2 4-8b 2-16b 13 8 5V Tabla 2 Microcontroladores de la familia M68HC08 de Motorola. Los microcontroladores de ATMEL de 8 bits incorporan de tres a ocho canales PWM, trabajan a 16 MHz y poseen bastantes canales de convertidor analógico digital: DISPOSITIVO RAM TIMER A/D PWM I/O MHZ TENSIÓN Atmega169 3 8-10b 4 53 16 4.5-5.5V Atmega16 3 8-10b 4 32 16 4.5-5.5V Atmega8 3 6-8,10b 3 23 16 4.5-5.5V Atmega8535 3 8-10b 4 32 16 4.5-5.5V Atmega32 3 8-10b 4 32 16 4.5-5.5V Tabla 3 Microcontroladores ATMEL de 8 bits. STMicroelectronics presenta también tres familias de microcontroladores de 8 bits: ST5, ST6, ST7 y ST9. Algunos de los que presentan funciones A/D y PWM son los siguientes: DISPOSITIVO RAM TIMER A/D PWM I/O MHZ TENSIÓN ST52430K2 256 3 8-8b 3 23 3-5.5V ST52510K2 512 2 8-10b 2 22 2.7-5.5V ST72262G1 256 2 6-10b 2 22 2.4-5.5V ST72621J2 384 2 8-10b 2 31 4-5.5V ST92141K4 512 2 8-8b 2 15 4-5.5V Tabla 4 Microcontroladores de STMicroelectronics de 8 bits. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 17 La familia de microcontroladores de Microchip es la más extensa contando cerca de 176 microcontroladores distintos. A continuación se muestra alguno de ellos: DISPOSITIVO RAM TIMER A/D PWM I/O MHZ TENSIÓN PIC16F873 192 3 5-10b 2 21 20 2-5.5V PIC16F874 192 3 8-10b 2 32 20 2-5.5V PIC16F876 368 3 5-10b 2 21 20 2-5.5V PIC16F877 368 3 8-10b 2 32 20 2-5.5V PIC16F73 192 3 5-8b 2 22 20 PIC16F74 192 3 8-8b 2 33 20 PIC16F76 368 3 5-8b 2 22 20 PIC16F77 368 3 8-8b 2 33 20 Tabla 5 Microcontroladores de Microchip de 8 bits. Se han mostrado los microcontroladores de 8 bits por ser una de las especificaciones requeridas, aunque también existen microcontroladores de 4, 16 y 32 bits. Los microcontroladores de 16 y 32 bits a pesar de no ser tan cotidianos como los de 8 bits son utilizados cada vez más en aplicaciones en que los datos requieren más precisión (instrumentación, operaciones matemáticas complejas, etc.). Estos microcontroladores de 16 y 32 bits suelen ser muy rápidos si se comparan con los de 8 bits además de ser capaces de direccionar y gestionar grandes volúmenes de memoria. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 18 Evolución en el mercado Aunque en el mercado de la Microinformática la mayor atención la acaparan los desarrollos de los microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de microcontroladores por cada uno de aquéllos. La evolución del mercado mundial de microcontroladores de 8 bits ha experimentado un espectacular incrementó a partir del año 1990, en el que se vendieron 590 millones de unidades. En 1992 se vendieron 950 millones y en 1996 se superaron los 2.000 millones de unidades. La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente: • Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los computadores y sus periféricos. • La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de gran consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc). • El 16 % de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones. • Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales. • El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción. Respecto al mercado de los potentes microcontroladores de 16 bits, el crecimiento también ha sido su norma. De los 23 millones de unidades vendidas en 1988, se ha pasado a diez veces más en 1996, siendo la ofimática y las comunicaciones las áreas que absorbieron la mayor parte. Figura 8 Evolución del mercado de los microcontroladores y previsiones Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 19 Estructura general de un microcontrolador: Figura 9 Estructura general de un microcontrolador Arquitecturas: Arquitectura Von Newman dispone de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control). Figura 10 Arquitectura Von Neuman Arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes, una que contiene sólo instrucciones, y otra que contiene sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias. Figura 11 Arquitectura Harvard Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 20 Podemos clasificar los microcontroladores según el juego de instrucciones CISC (complex instruction set computer) Es un juego de instrucciones muy amplio que permite operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos. Son instrucciones potentes. RISC (reduced instruction set computer) Es un juego de pocas instrucciones que realizan funciones sencillas. Las instrucciones RISC tienen las siguientes características fundamentales: - Son instrucciones de tamaño fijo en un reducido número de formatos. - Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a memoria. SISC (specific instruction set computer) Es un juego de instrucciones específicos para tareas concretas. En definitiva, los microcontroladores suelen incluir variedad de funciones especiales que se pueden utilizar gracias a los dispositivos internos incluidos dentro de ellos, entre otras: La memoria de programa generalmente es una Flash EEPROM. Tiene puertos de Entrada y Salida (Configurables por software). Poseen contadores de propósito especial. Tiene incluido un reloj del sistema que permite contabilizar tiempo. Algunos modelos incluyen conversores A/D. Tiene Memoria EEPROM para almacenar datos. Tiene puerto de comunicaciones. Manejan velocidades de operación hasta 20 MHz. Algunos de estos dispositivos tienen puerto de comunicaciones serial. Tienen entradas para interrupción. La programación es rápida. Las herramientas de desarrollo son económicas y se encuentran disponibles en a red, las cuales incluyen el ensamblador y simulador. Figura 12 Prestaciones del Pic18f4550 para el dispositivo genérico Hoy en día, los microcontroladores son un buen recurso al alcance de cualquier desarrollador de hardware. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 21 2.2. Protocolos de comunicación. 2.2.1. PWM . El control por ancho de pulso (Pulse Wide Modulate) es la forma de control que puede ser empleada también cómo protocolo de comunicación. La principal ventaja es su simplicidad respaldada por la generalidad de sus parámetros. PWM es una señal periódica en la que los datos son representados por el ancho del pulso. Esto quiere decir que se aplica un pulso cada intervalo de tiempo. La duración del pulso ha de ser inferior o igual al intervalo tiempo. Figura 13 PWM Las variables a tener en cuenta son el ancho de pulso y la frecuencia de envío de pulso. El ciclo de trabajo se calcula dividiendo el ancho de pulso por la frecuencia. Las aplicaciones son en el campo del control de motores y parte de un convertidor analógico digital. En caso del control de motores, el ancho de pulso se interpreta cómo velocidad de giro para los motores de corriente continua y cómo posición para los servos. Para las conversiones, se hace la traducción del voltaje a pulsos a través de un filtro. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 22 Figura 14 Esquema empleo PWM Figura 15 Simulación del control de un motor AC con PWM Parte de la electrónica de control la velocidad de rotación de un motor y la simulación mediante PWM invertida al 50% y 80% respectivamente. A – corriente alterna, B – señal PWM, C – salida alimentación controlada para Motor. Actúa solamente en el ciclo positivo de la fase. Se debe sincronizar la fase con el Pwm ajustándolo a la misma frecuencia y emplear un detector de paso por cero. Ejemplos del empleo del control por ancho de pulso del valor de la corriente continua: El control del valor de la corriente continua a partir de una onda cuadrada; El valor de la corriente continua en función del ancho del pulso. La corriente continua se puede crear empleando un filtro pasa-bajos. El control del valor variando el periodo del pulso (frecuencia) La flexibilidad de la solución PWM permite a cualquier diseñador de sistemas emplearlo con las más variadas configuraciones: ancho de pulso, forma de onda, frecuencia, todo ello constituyendo una sencilla y eficaz forma de comunicación exenta de encabezados o redundancias. En cuanto al sistema físico idóneo para el PWM, no hay especificaciones sobre el sistema en el que se puede implementar, dejando al diseñador decidir y especificar las características del bus de transmisión en función de la frecuencia y corriente. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 23 Actualmente el control por ancho de pulso está empleado desde el control de la velocidad de rotación de los ventiladores existentes en los ordenadores, pasando por el posicionamiento gracias a los servomotores y hasta los variadores de intensidad para el control de velocidad de motores de corriente alterna. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 24 2.2.2. DMX . DMX es un protocolo utilizado para el control de la iluminación. Surgió en el 1986 para solucionar el problema de incompatibilidad que existía entre los distintos fabricantes de aparatos de control de iluminación que usaban protocolos propietarios. El protocolo DMX es un protocolo muy directo. Consta en un bloque de un mínimo de 512 octetos sobre una línea serie RS485. Estos 512 octetos, también llamados un universo, representan 512 diversos valores para regular la iluminación o son parámetros (por ejemplo, color o número del gobo para los proyectores móviles). La simplicidad del protocolo permite utilizar microcontroladores para enviar/recibe la señal de DMX. La señal debe de ser balanceada, normalmente se usa el componente SN75176 que es bidireccional. Figura 16 El balanceador de señal DMX Se utiliza una velocidad 250kbit/sec, por lo tanto no es posible generar DMX con un puerto serial estándar del PC (velocidad máxima puerto serie 100kbit/sec). Figura 17Estructura del protocolo DMX Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 31 2.3. Sistemas de control embebido. 2.3.1. Aplicaciones lúdicas . La industria de los juegos y los juguetes incorporando cada vez más en sus productos logros tecnológico. Juegos informáticos, juguetes robotizados y libros que cuentan los cuentos son unos ejemplos. También los sistemas de control embebido están presentes en las salas de juego apoyando una rama de la diversión de la más generadora de beneficios. Figura 22 Juguetes que incorporan microcontrolador Juguetes actuales que incorporan microcontrolador. Son capaces de gestionar protocolos de comunicación con el mando a distancia por radiofrecuencia y controlar servos y luces, es programable y tiene varios modos de funcionamiento. El ordenador es una herramienta potente y el dispositivo genérico permite la conexión de cualquier tipo de juguete para ser interactuado en tiempo real. Las aplicaciones lúdicas son un buen punto de partida para experimentar con el control del sistema genérico objeto de este proyecto. Además se puede utilizar la parte artística para una buena publicidad. Las marionetas son un medio de expresión que reúne la escultura, la pintura y la cinemática. Desde la antigüedad se han empleado para divertir, contar o criticar y un objetivo ha sido automatizar. Los autómatas mecánicos se han hecho visibles desde tiempos muy lejanos. La construcción de unos autómatas robotizados controlados por ordenador se convierte en nuestra primera aplicación. El tema es la música, las marionetas son los músicos y el director es el ordenador. El director dirige a los músicos en una frenética comunicación a través del puerto Usb. Las ventajas de unos autómatas mecánicos controlados por ordenador son entre otras las precisiones de movimiento, el sincronismo de los movimientos con el sonido y el grande número de elementos que se pueden mover a la vez. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 32 Esta aplicación necesita una adaptación específica del software de control y un tedioso estudio para el diseño de los mecanismos. La programación de los movimientos se realizará en pocos pasos gracias a la programación abreviada: se trata de la interpretación de los datos existentes en archivos de sonido y su posterior conversión a los movimientos de los músicos. En futuras versiones ampliaremos el campo con la interpretación de partituras. En esta primera aplicación práctica emplearemos Pwm para el control de los servos. Quizás lo más interesante de esta aplicación es el control de un número elevado de servos y la optimización del algoritmo de envió de señal para conseguir el máximo rendimiento de los recursos del microcontrolador. En gran parte, el resultado final está condicionado por los mecanismos. Por ello intentaremos sintetizar y factorizar para obtener un máximo rendimiento de un motor maestro, de tal manera que con valores parecidos se consiga un amplio abanico de gestos. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 33 2.3.2. Sistema de iluminación profesional . Controlar la iluminación en le mundo del teatro, cine y televisión se ha convertido en una necesidad que enriquece las escenas aportando calidad y sello de un trabajo profesional. El empleo de escenas con efectos de iluminación insólitas, transiciones y cambio de colores proyectados sobre el vestuario de los actores y las escenografías enriquece el espectáculo y llena de emociones difíciles de describir. Lo que hace unos años era una difícil tarea a la que se necesitaba varios días de montaje, enfoque y aprendizaje o programación de las escenas con limitaciones, se ha convertido en un trabajo lleno de emoción para los diseñadores que pueden contemplar el resultado en directo a golpe de ratón. Ahora deben saber que el limite es su propia imaginación. Figura 23 Proyectores Dmx de ultima generación En la figura 23 observamos periféricos de iluminación: proyectores móviles DMX dotados con circuito para la recepción del protocolo y actuación según 24 y 11 canales respectivamente para posicionamiento, intensidad, color y forma de la área de iluminación entre otras. Incorporan microcontrolador. Configuraremos nuestro sistema para reproducir efectos de iluminación de encendido/apagado de proyectores con velocidad variable en función de las escenas, disparadas de manera manual o automática, fundidos o relámpagos. Todo esto se consigue gracias a una mesa de control, el pc y dispositivo genérico en nuestro caso, conectada a un dimmer que maneja los proyectores - actuadores. Cómo a hemos comentado, la distancia máxima entre nuestro dispositivo y el pc es de 5m necesitamos poder llevar la señal a más distancia. Los dimmers usan un protocolo que permite una distancia máxima de hasta 500m. Se trata de implementar el protocolo DMX en nuestro dispositivo genérico para que este envíe los datos hasta los dimmers. Hemos de acondicionar la salida de señal del pin configurado como DMX para cumplir con los requerimientos del bus DMX. La incorporación de un sistema de control embebido a las aplicaciones de control de la iluminación aporta una considerable evolución en la programación, almacenamiento y manejo de escenas y efectos, pasando de la tediosa tarea de la atención constante de varios técnicos durante el montaje y la Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 34 representación a la programación de la misma una vez y cargar y ejecutar en las futuras actuaciones. Actualmente, en la iluminación profesional, se encapsula el universo DMX sobre Ethernet, para una transmisión más fiable y a larga distancia, sobre todo si se trata de una red más compleja de proyectores. A la vez que la informática ha evolucionado, su aplicaciones en el campo de los proyectores se ha dejado ver. Hay proyectores motorizados, llamados móviles, que utilizan hasta 24 canales DMX para el control de posición en dos ejes, cambia el color del filtro, maneja formas recortadas llamadas “gobos” o la posición de la lente para enfocar o desenfocar los bordes del radio iluminado, además de la intensidad de la luz. Otra ventaja inmediata del encapsulamiento del DMX sobre Ethernet son la posibilidad de la gestión de los proyectores de manera inalámbrica. Adaptar nuestro sistema a una comunicación sobre Ethernet constituye uno de los futuros trabajos que nos planteamos. La aplicación de nuestro sistema en la iluminación profesional supone emplear el mismo en una aplicación profesional por la implementación de un protocolo estándar y la realización de un circuito acondicionador de señal específico. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 35 2.3.3. Sistema de navegación móvil . La navegación móvil automatizada es un objetivo perseguido continuamente y no tan fácil de realizar. Hoy en día se ha conseguido con técnicas nada económicas, sobretodo por el problema de posicionamiento, lectura de sensores, interpretación de obstáculos, reconocimiento de formas, en otras palabras, la combinación de inteligencia artificial y visión por ordenador con un buen respaldo hardware. Lo que planteamos cómo aplicación practica es la adaptación del sistema aquí presentado para dar soporte físico entre los sensores de posición y los actuadores para posicionar el vehículo en el lugar deseado. La incorporación del sistema de control embebido facilita la gestión de los actuadores incorporados en un sistema de navegación móvil, siendo èste capaz de transmitir a las partes electromecánicas las maniobras necesarias para cumplir el objetivo. Con ello se consigue autonomía de actuación una vez recibido el objetivo e informado continuamente el estado hasta el cumplimiento. En el sistema de navegación móvil planteado, nosotros intervendremos en la parte de control del acelerador, freno y dirección al que llamaremos el sistema de movilidad. Estos tres elementos son manejados automáticamente por el ordenador al través del sistema genérico configurado adecuadamente para actuar como puente. Figura 24 MACBOR ATV 49 mini El vehículo quad, concretamente el modelo MACBOR ATV 49 mini, es el medio de desplazamiento. Dispone de un motor térmico de 50cc de consumo reducido. Necesita alimentación eléctrica para el motor de arranque. Los frenos han de ser programados para actuar en modo exclusivo frente al acelerador y viceversa. El control de acelerador está acoplado a un limitador de velocidad en el puño de gas y hay un mando a distancia que permite detener el vehículo desde lejos en caso de necesidad para un paro de emergencia durante las pruebas. La dirección de desplazamiento del vehículo es controlada por la posición de las ruedas delanteras en el eje Z, es decir perpendicular a la superficie. El giro del vehículo se consigue gracias a un pistón controlado por un motor DC y acoplados con un mecanismo de tornillo sinfín. Hemos montado un Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 36 potenciómetro en el eje de la dirección y su lectura nos indicará la posición angular de las ruedas delanteras. En esta aplicación, usaremos adquisición de datos por la lectura del potenciómetro, control de servomotores para freno y aceleración y por último, control de motor DC en función de la lectura analógica del potenciómetro. Con estas modificaciones junto a la creación de una librería para facilitar el uso de las funciones sobre los actuadores, daremos apoyo al control del vehículo realizado con control manual, semi-automatizado o totalmente automatizado y controlado por detección de obstáculos gracias a sensores y a un dispositivo de rastreo láser. Nos planteamos cómo trabajos futuros la implementación de un regulador Pid para el control de giro del vehículo y la mejora del frenado por la aplicación de algoritmos para reducir la distancia de frenado. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 37 3. Desarrollo práctico. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 38 3.1. Desarrollo del dispositivo genérico. Pic18f4550. Todos los microcontroladores que se fabrican en el presente tienen excelentes prestaciones pero el más adecuado no es el más servicios ofrecen. Según la aplicación y los requerimientos se ha de buscar en los modelos que ofrecen los varios fabricantes. Un diseñador ha de conocer todo el abanico que se oferta en el mercado de microcontroladores para elegir el adecuado para cada situación. La elección suele hacerse en primer lugar por las funciones que ha de cumplir, descartando una parte que no interesa y por último en función del coste y facilidades de uso. En nuestro caso, para buscar en función de la aplicación se ha de tener en cuenta: - La rapidez y precisión del procesamiento de datos - El tipo y numero de entradas y salidas - El tipo y cantidad de memoria - La precisión del ancho de palabra - Entradas analógicas - Comunicación serie - Interrupciones. - El tamaño del microcontrolador para el diseño de la placa. Microcontroladores PIC Figura 25 Familias de microcontroladores Pic La popularidad de los PIC hace que sean incluidos en la mayoría de los proyectos debido a su bajo coste, reducido consumo, pequeño tamaño, de fácil programación y abundancia de herramientas económicas de soporte. El Pic18F4550 se puede encontrar entre los microcontroladores de 8bits. Tiene una arquitectura Harvard y se caracteriza por 32kB de memoria para el programa y 2,2KB para los datos. Dispone de un juego de instrucciones RISC. Tiene 40 pines entre cuales se encuentran los cinco puertos configurables como entrada o salida. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 39 Destacamos la conectividad Usb v2.0, los 4 temporizadores y los 13 canales configurables como entrada analógica de 10 bits. Estructura del PIC18f4550. Figura 26 Bloques estructurales del Pic 18f4550 A continuación describiremos las funcionalidades que incorporaremos en nuestro proyecto. Entrada / Salida Los puertos Entrada/Salida los podemos configurar en función de cada aplicación teniendo en cuenta que los pines RC4 y RC5 serán de uso exclusivo para la comunicación Usb. En los ejemplos de aplicaciones prácticas usaremos, como norma general, el puerto B para configurar salidas generales y el puerto A para entradas analógicas o digitales. Conversor Analógico Digital Dispone de un conversor Analógico Digital de 10 bits. Hay 13 pines que se pueden configurar como entrada analógica, siempre en cascada, es decir si quieres seleccionar el pin AN2 cómo entrada analógica, obligatoriamente estarán seleccionados AN0 y AN1. Es un punto a tener en cuenta a la hora del diseño del dispositivo. La configuración se realiza a través de los registros ADCON. Interrupciones y temporizador El pic dispone de varios tipos de interrupciones y prioridades de las interrupciones. Las funciones definidas con prioridad baja interrumpirán cualquier ejecución menos las definidas con prioridad alta. Destacamos la interrupción Usb y la interrupción del Temporizador al vencer un periodo de tiempo que configuraremos cómo variable dentro de nuestras aplicaciones prácticas. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 40 Las interrupciones se pueden habilitar, deshabilitar o configurar desde el registro INTCON. Reloj El microcontrolador necesita un reloj externo pero tenemos que configurar sus pulsos para obtener 48MHz necesarios para la comunicación Usb. A un oscilador de cuarzo de 12MHz se le debe multiplicar por 3 su frecuencia. Desarrollo del dispositivo genérico. El elemento principal del dispositivo es el microcontrolador. Requerimientos para al microcontrolador • Comunicación Usb La necesidad de una comunicación rápida y fiable nos lleva a la utilización del puerto Usb. • Interrupciones Son necesarias para temporizar eventos. Imprescindible en el envío de Pwm. • Adquisición de datos: El microcontrolador tiene que disponer de entradas analógicas y conversión al digital. Esta parte es imprescindible para la lectura del potenciómetro situado en el eje de la dirección. Hay una familia de microcontroladores de alta resolución pero nos condiciona el factor económico, por lo tanto una conversión a un dato de 10 bits estables es más que suficiente. • Frecuencia de funcionamiento Debemos emplear un microcontrolador que funcione a alta frecuencia de reloj para asegurar una buena transmisión Usb combinada con la señal de salida para los actuadores y la lectura de los elementos analógicos. • Fácil programación Valoraremos un microcontrolador que tiene una fácil y rápida programación para hacer posible el desarrollo del programa interno (firmware) y la posterior grabación con la ayuda de herramientas económicas o gratuitas, ejemplos de uso y dispositivos de programación sencillos y económicos. • Memoria interna Es importante disponer de suficiente memoria para los datos y para el programa. Una restricción en este campo sería negativa ya que actuaría directamente sobre la parte genérica del dispositivo. Elección del microcontrolador De todos los microcontroladores nos hemos centrado en los que llevan preparada le comunicación Usb. Hemos encontrado los microcontroladores Pic 18fx550 de la casa Microchip. Más concretamente pic 18f2550 con 28 pines y 18f4550 de 40 pines. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 47 Mostramos a continuación una vista general sobre el planteamiento del firmware. Figura 30 Módulos del firmware y la intercomunicación. Los datos procesados o recibidos por Usb son enviados directamente a los puertos. Hemos elegido el protocolo necesario para la comunicación con el periférico en función del tipo de actuador. Este protocolo será el encargado de encapsular los datos recibidos a través del USB y enviarlos a través de los puertos del microcontrolador configurados para la tarea, o bien, manejar los puertos en función de los datos recibidos. El microcontrolador utilizado, Pic18f4550, dispone de un puerto de salida pwm pero para aplicaciones que necesitan controlar por pwm más de un actuador queda insuficiente. Por lo tanto hemos de implementar una función para generar pwm en cualquier pin se necesite. Lo más práctico es el uso de interrupción para temporizar los ciclos Pwm combinado con el uso de máscaras para manejar un puerto por operación. Elegir el lenguaje y el entorno de programación Hemos optado por el lenguaje C dentro del entorno de programación MpLab de la casa Microchip, gratuito. Hemos compilado con C18 Student Edition, también gratuito, de la misma casa. Constituyen unas excelentes herramientas que cuentan además con un buen soporte de aprendizaje y ayuda. Ofrece la posibilidade de visualizar los datos de los registros o las variables. Dispone de archivos predefinidos con la definición registros y datos frecuentemente usados para cada uno de los microcontroladores Pic que fabrica o ha fabricado Microchip. Edición del Firmware Como punto de partida hemos configurado el microcontrolador con los valores que hemos especificado en el archivo de información .inf. para poder ser reconocido por el sistema operativo. Luego hemos especificado el tamaño del paquete a enviar, recibir. Según los datos que se quieren manejar a través del Usb, se define el tamaño del paquete y se configura byte a byte la destinación de cada uno. El máximo Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 48 de datos que un paquete usb puede manejar es de 64Bytes. Este paquete lo configuramos de la siguiente manera: Para las aplicaciones prácticas variaremos el tamaño del paquete y los valores de encabezamiento en función de las necesidades. A continuación hemos creado la función de recibir datos y el tratamiento de las mismas. Para poder ser enviados a los periféricos, hemos configurado los puertos de entrada/salida. Las interrupciones las hemos inicializado para dar paso al control sincronizado del periférico o del envío de datos, enviando según protocolo. Llegados a este punto hemos de implementar mecanismo de acceso a datos a través de semáforos para evitar interbloqueos o lectura de datos erróneas. Suele ocurrir cuando se dispara una interrupción vencimiento del reloj y se interrumpe un proceso de recepción de datos. En el peor de los casos se produciría una excepción al no poder acceder a un dato y derivaría en el reset del microcontrolador. Por último, hemos creado el bucle principal para atender de forma ordenada las tareas. Archivos de instalación Los archivos de instalación constituyen el enlace entre los dos medios lógicos, firmware y software. Estos archivos son utilizados por el sistema operativo para reconocer y configurar el dispositivo. También son utilizados por el software a través de llamadas a las funciones de la librería específica para Usb facilitada por el fabricante. El archivo de información sobre el dispositivo tiene la extensión “.inf”. En el especificaremos: Vendor ID y Provider ID que deben ser los mismos especificados tanto en la clase UsbDll del software como en usbdsc.c del firmware. Las rutas del driver mchpusb.sys (si no se especifica la hemos de indicar manualmente) Los Strings de los nombres que muestra el dispositivo. Los archivos necesarios tienen las extensiones: inf, .sys Diseño del software Diagrama de funcionalidades de la aplicación Figura 31 Principales funcionalidades de la aplicación software Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 49 Hemos dotado el programa de las siguientes funcionalidades: Parte de control: Distinguimos aquí tres tipos: 1. Control manual 1.1. Los propios controles de la ventana de la aplicación. El usuario introduce datos en los controles de la ventana del programa. Estos pueden ser cuadros de texto, listas editables, botones, deslizadores, etc. 1.2. Medios físicos de control. El usuario usa el joystick, el teclado, el ratón u otros periféricos para facilitar los datos a enviar, la aplicación siendo la encargada de capturar estos datos 2. Control semi-automático 2.1. Los datos son obtenidos de otros dispositivos o del mismo periférico a controlar. Se trata de realimentación, la intervención del usuario es mínima pero decisiva, definiendo las preferencias del sistema, que tipo de algoritmo se aplicará, cuando se interviene, etc. 3. Control automático 3.1. Datos obtenidos de ficheros. El usuario especifica uno o varios archivos de dónde se leerán los datos para el control del periférico Comunicación Usb: Hemos utilizado la librería “mpusbapi.dll” facilitada por el fabricante del microcontrolador. Para el envío / recepción de datos llamaremos a las funciones específicas para acceder al hardware, es decir al dispositivo. Monitorización: Para monitorizar, estados, posiciones, etc. hemos dotado el software de funciones que muestran en pantalla los datos de los actuadores. Elegir el lenguaje de programación y la herramienta de edición: El lenguaje C# es un lenguaje que nos ofrece todas las facilidades para una rápida programación, siendo un lenguaje intuitivo con una buena base de documentación. Los programas creados con este lenguaje corren sobre una máquina virtual. Para ejecutar nuestro programa es suficiente tener instalada NetFrame versión 2.0. Para aplicaciones más complejas se recomienda instalar también la versión 3.5. La herramienta de edición es el Visual C# 2008 Express Edition, disponible en la página de Microsoft, junto a la documentación MSDN. Ambas son gratuitas. Dispone de buenos ejemplos cómo apoyo al programador. El entorno es muy amigable, intuitivo, el editor dispone de muchas facilidades y herramientas de programación y depuración. Organización del trabajo de edición. En primer lugar hemos de crear una clase que importa la librería mpusbapi.dll. Ahora se podrá acceder al hardware con una sola llamada. Necesitamos en segundo lugar una clase para mostrar los datos a enviar y los datos actuales del actuador. Además hemos de crear varias clase especificas para cada tipo de adquisición, procesamiento o almacenamiento de datos. Punto seguido crearemos varias clases para encapsular la estructura de datos y por último crearemos la clase principal que dirige el flujo de datos. Software Estructura lógica para el software Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 50 Siguiendo los pasos descritos en la primera parte del proyecto: Figura 32 Clases de la aplicación UsbDll es la clase que importa la librería “mpusbapi.dll”. Se importan las funciones de la librería “mpusbapi.dll”. En el constructor se Inicializa los String Vid, Pid y las tuberías para la comunicación Usb. Métodos privados: int abrir(): abre la tubería de comunicación, devuelve “0” si la operación de ha ejecutado con éxito, “-1” en caso contrario. int cerrar(): cierra la tubería de comunicación, devuelve “0” si la operación de ha ejecutado con éxito, “-1” en caso contrario. int enviar(): envia los datos llamando a la función _MPUSBWrite de la dll, devuelve “0” si la operación de ha ejecutado con éxito, “-1” en caso contrario. int recibir(): recibe los datos llamando a la función _MPUSBRead de la dll, devuelve “0” si la operación de ha ejecutado con éxito, “-1” en caso contrario. Métodos públicos: byte[] Versión(): recibe la versión de la firmware int Servos(byte[]) prepara el paquete de datos para los actuadores tipo servomotores y llama al método enviar(). devuelve “0” si la operación de ha ejecutado con éxito, “-1” en caso contrario. FDatos es la clase encargada de facilitar los datos, actualizarlos y mostrarlos. El constructor inicializa la lista de Datos y las variables globales. Tiene métodos privados para abrir ficheros en modo lectura o escritura: cargar() y guardar(). Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 51 Métodos públicos: get() devuelve la lista de datos a enviar. set(Datos, int): actualiza los Datos de la posición especificada en int. refrescar(Datos) muestra los Datos en pantalla. Datos es la clase que almacena la información disponiendo de constructor que inicializa los datos, y métodos públicos de get que devuelve el dato en byte y set que actualiza el dato. FPrincipal es la clase que arranca la aplicación. En el método main llama a su constructor. El constructor inicializa la estructura de datos, lanza la ventana de adquisición y visualización de datos e inicializa la comunicación obteniendo la versión del firmware tras la llamada usbdll.Version() y mostrando en pantalla el resultado. Esta clase dispone de botones que implementan métodos para controlar el flujo de datos. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 52 3.3. Desarrollo de aplicaciones de control embebido. A o largo de la historia hemos podido ver una búsqueda continua para mejorar la vida cuotidiana en todos los aspectos. Lo que en un principio era una tarea de un largo periodo de tiempo, hoy en día se limita a un simple parpadeo. Es el ejemplo de los cálculos, la escritura y envió de documentos. También hemos visto cómo las distancias se han reducido y 3000 km se pueden recorrer en unas tres horas. La tecnología se ha impuesto hasta en los campos más remotos de nuestra civilización y seguirá haciéndolo por mucho tiempo. Las aplicaciones de control embebido son una pequeña parte de el mecanismo de control que ayuda al desarrollo de proyectos que requieren automatismo, cálculo, comunicación y rápida respuesta, convirtiéndose en partes integrantes de estos proyectos, Los campos de aplicación son de los más variados, desde de máquinas de juego hasta maquinaria pesada, desde una máquina expendedora de refrescos hasta los aparatos médicos más precisos. Las aplicaciones prácticas que plantearemos tienen el fin de comprobar si realmente se ha conseguido realizar un dispositivo genérico y versátil. Abordaremos unas aplicaciones prácticas para emplear varios tipos de los actuadores y sus respectivos protocolos de control. Para cada una de la aplicación seguiremos los siguientes pasos: Estudio sobre los periféricos y los actuadores. Se ha de tener en cuenta que tipo de protocolo se ha de emplear, las especificaciones físicas y el acondicionador de señal. Estimación de recursos hardware necesitados. Diseño del paquete para intercambio de datos por Usb Implementación de la aplicación de control con los cambios necesarios en la plantilla. En algún ejemplo cubriremos más áreas de las establecidas, cómo el diseño de mecanismos para los autómatas mecánicos. Generalmente nos vamos a centrar en la configuración del sistema genérico para el control de los actuadores incorporados. Por otra parte, a pesar de la posibilidad del control de un número elevado de actuadores, nos centraremos en el tipo de actuador y en su control. El límite máximo de cantidad y las aplicaciones de uso es objeto de un posible trabajo futuro. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 53 3.3.1. Control de autómatas mecánicos . La avance tecnológico y los medios de comunicación modernos han quitado protagonismo a los eventos sociales como el teatro y otras disciplinas artesanales antiguas. Aún se encuentran entidades que organizan festivales, muestras y encuentros teatrales en los cual maestros artesanos y artistas exponen sus trabajos, algunos a la vieja usanza y otros más contemporáneos. Pero al ser una actividad con pocos beneficios y difícil de mantener, cada vez se organiza menos y algunos trabajos que pueden funcionar con poco mantenimiento como los teatros de autómatas han quedado en el olvido. Pero, por suerte, de vez en cuando aparece una persona interesada en este arte y al encontrarse con antigüedades de este mundillo, desea rescatarlas. Se han recuperado autenticas joyas de maquinaria bajo forma de autómatas mecánicos que representan escenas de obras teatrales. Otras han sido remodeladas, cambiando los mecanismos por los actores y los manipuladores como es el caso de “El belen de Tirisiti” que se expone en fechas de Navidad en Alcoi, Comunidad Valenciana. Esta primera aplicación práctica rinde un homenaje a los constructores anónimos de estas obras que combina la ingeniería con el arte. Autómatas mecánicos controladas por ordenador. Hemos diseñado y construido un juego de cuatro marionetas interpretando personajes de músicos de una banda. Hemos reunido un pianista, un violinista, un guitarrista y un batería. Hemos configurado el sistema para que el ordenador interprete el papel de director y manipulador a la vez. Los autómatas mecánicos los hemos previsto de un sistema complejo de mecanismos para reducir a dos el numero de servomotores para el movimiento de cada uno de los músicos y conseguir al mismo tiempo mayor atracción por el cuadro que ofrece el conjunto de muchas piezas mecánicas en movimiento a la vista, sugiriendo la reproducción de los gestos de los músicos. 3.3.1.1. Sistema Mecánico . Diseño y construcción de los autómatas mecánicos. Hemos diseñado los mecanismos utilizando el potente software de animación 3d Blender. Este programa gratuito dispone de un amplio abanico de posibilidades de edición pero nosotros hemos utilizado la parte de animación de “Armature”. Se trata de objetos unidos entre si que se configuran para realizar animaciones complejas. Disponen de varias formas de generar las animaciones, entre ellas la cinemática inversa. La animación generada nos sirve a cuenta de simulación. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 54 Figura 33 El violinista – autómata electromecánico Una vez diseñados los mecanismos y comprobada su funcionalidad, hemos impreso en papel el modelo y lo hemos calcado sobre planchas de madera para recortar las piezas. Hemos ejecutado los agujeros para el ensamblaje, ensamblado, comprobar el movimiento y por ultimo montar los servos en el lugar adecuado. 3.3.1.2. Sistemas de Actuación . Servos Un servomotor es un sistema compuesto por un motor eléctrico con capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición, generalmente controlado por ancho de pulso (pwm). Un servomotor dispone de un circuito electrónico. Puede ser analógico o digital El circuito electrónico analógico gobierna el motor DC incorporado en función del resultado de la comparación del voltaje resultado de la conversión de la señal Pwm recibida y el voltaje del potenciómetro incorporado, conectado físicamente al motor a través de un sistema reductor de engranajes.. Figura 34 Figura circuito servo Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 55 El circuito digital tiene un conversor A/D, un microprocesador y una puente H. La principal ventaja es que se puede sobrecargar la frecuencia de funcionamiento hasta 300 ciclos/seg. Figura 35 Figura servo desmontado Los servos tienes 3 cables: dos para la alimentación y uno para el control. El cable de control se puede conectar directamente al microcontrolador si la tecnología empleada por el servo es TTL. En caso contrario se ha de utilizar un circuito electrónico acondicionador Se ha de tener en cuenta que la masa del dispositivo es común con la del servo y la alimentación del servo ha de ser independiente, ya que el dispositivo se alimenta del puerto usb del ordenador y este no ofrece suficiente corriente. Aplicación de los servos: Los servos los hemos conectado directamente al microcontrolador. El cable utilizado es apantallado de baja impedancia, La alimentación de los servos va a través de un solo cable (5V), la masa siendo conectada a la pantalla de la señal. Calibrado En primer lugar hemos tenido en cuenta el movimiento de los servos ya que en pocas ocasiones tienen libertad de movimiento para cubrir los 180 grados. Los hemos montado a 90 grados, en una posición intermedia del músico. Es necesario calibrar el servo antes de cualquier movimiento para no ir a un punto dónde no pueda mover y forzar posición. Una vez puesto en marcha el sistema, hemos conectado un solo servo y le hemos enviado ángulos hasta alcanzar las posiciones máxima y mínima de movimiento. Hemos almacenado estos datos en la Clase UsbDll haciendo una conversión de valores para que el usuario programador de movimiento use el rango [0 .. 180]. 3.3.1.3. Sistema de Alimentación . Fuente de alimentación 5V 600W. La alimentación de los servos es independiente pero no hemos de olvidar conectar la masa con la del dispositivo Usb. 3.3.1.4. Sistema de Control . Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 56 Aplicando nuestro sistema genérico, hemos definido cómo periférico a cada músico, y los dos servos de cada músico que realiza el movimiento siendo los actuadores. Los servos disponen de circuito propio de acondicionamiento de señal funcionando con PWM y tecnología TTL, por lo tanto compatible con nuestro microcontrolador. El microcontrolador dispone de un pin por el que, configurado para la tarea, envía señal Pwm. En nuestro caso necesitamos más de un servo a controlar por lo que hemos de implementar salida de señal Pwm. Por lo tanto, hemos hecho las siguientes modificaciones: Firmware: La interrupción provocada por el temporizador, preparada en la parte general de la implementación de la firmware, nos sirve para llamar a la nuestra función de manejo de puertos. Hemos hecho un estudio para optimizar los recursos del microcontrolador. Como el microcontrolador dispone de suficiente memoria para guardar 180 valores por puerto en los que guardaremos el estado de los puertos. Estas Máscaras sirven para tener acceso inmediato a un valor a través de una tabla y no perder tiempo con desplazamiento de bit para actualizar pin por pin. La interrupción funcionará según el siguiente algoritmo Por último desactivamos la entrada analógica dejando todo el tiempo del microprocesador a las tareas de la comunicación y el manejo de puertos para transmisión del pwm al recibir la interrupción. Software El software también sufre modificaciones en la parte de estructura de datos ya que necesitaremos almacenar la posición de cada servo en cada momento. Figura 36 Diagrama de clases control autómatas Definiremos varios conceptos para organizar los datos. El espectáculo tiene uno o más músicos. Un músico tiene sus escenas que pueden tener una o mas repeticiones. Las escenas tienen secuencias. Una secuencia guarda los datos, es decir las posiciones de los servos de cada músico. También cada secuencia tiene un tiempo de espera antes de enviar el Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 63 Figura 42 El servo que actúa sobre el freno del quad En el sistema de navegación móvil planteado, nosotros intervendremos en la parte de control del acelerador, freno y dirección al que llamamos el sistema de movilidad. Estos tres elementos son dirigidos automáticamente por otro sistema de adquisición de datos basado en rastreo de objetos. El quad es un vehículo de tracción mecánica sobre cuatro ruedas que dispone de un motor térmico de dos tiempos. Está dotado con un motor de arranque eléctrico, un sistema de acelerador que controla la válvula de gasolina, el sistema de frenado que actúa sobre las ruedas traseras y el sistema de dirección que maneja las ruedas delanteras. El acelerador está gobernado por un servo mientras que otro servo maneja el sistema de frenado. La dirección del vehículo se maneja gracias a un sistema electromecánico constituido por un motor de corriente continua que, mediante un engranaje tipo sinfín, posiciona un pistón que actúa sobre el ángulo de dirección de las ruedas delanteras. El ángulo de giro se obtiene del cálculo del valor de un potenciómetro situado en el eje de giro de la dirección. Por lo tanto, hay dos tipos de actuadores: servos para el acelerador y el freno controlados por pwm sistema de posicionamiento lineal en bucle cerrado con realimentación. 3.3.3.1. Sistema Mecánico . Acoplamiento de los servos Los servos están sujetos al chasis del vehículo. En la cruceta conectada al eje principal del servo se monta el cable del freno o la válvula de entrada para la inyección. Se comprueba que los servos tienen suficiente movilidad para ofrecer le giro necesario para acelerador suelto y llegar hasta aceleración máxima. En el caso del freno, se ha de comprobar que el freno puede estar perfectamente suelto o bloqueado para impedir el movimiento de las ruedas. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 64 Hemos de asegurar que el servo está bien centrado y equilibrado con el sistema al que se conecta para que el trabajo mecánico sea óptimo. Acoplamiento del motor DC al sistema de direccion Este motor está previsto de doble pistón, los dos han de ser conectados a las ruedas delanteras, se ha de montar en su posición central y las ruedas han de estar paralelas. Una vez acoplados los pistones a las ruedas, estas se ponen rectas y el motor se sujeta al chasis del vehículo. Acoplamiento del potenciómetro en el eje de la dirección El potenciómetro tiene la utilidad de encoder, es decir, ha de facilitar la posición de las ruedas delanteras. Para ello se acoplará directamente en el eje de la dirección. Puesto que el máximo ángulo de giro permitido es de 45 grados y e potenciómetro tiene un giro máximo de aproximativo 340 grados efectivos, una mejora sustancial en la resolución de la posición de la dirección sería un acoplamiento reductor mediante elementos mecánicos reductores y la utilización de lecturas comparativas de voltaje del microcontrolador para aumentar la resolución de los datos adquiridos. Las tareas de mejora las dejamos pendiente para trabajos futuros. 3.3.3.2. Sistemas de Actuación . Motores DC Los motores D.C se clasifican de acuerdo al tipo de bobinado del campo como motores Serie, Shunt, Shunt estabilizado, o Compuesto (Compound). Sin embargo algunos de ellos pueden ser auto excitados o de excitación separada o pueden tener campos de imán permanente. Ellos muestran curvas muy diferentes de torque-velocidad y se conectan en diferentes configuraciones para diferentes aplicaciones. Algunos motores D.C utilizan imán permanente como campo principal, especialmente los de potencia (HP) fraccionada (1/4,1/2,3/4) y baja potencia. Los motores de imán permanente tienen la ventaja de no requerir una fuente de potencia para el campo, pero tienen la desventaja de ser susceptibles a la desmagnetización por cargas de choque eléctricas o mecánicas. Los campos de imán permanente no se pueden ajustar para entonar el motor para ajustarse a la aplicación, como pueden los de campo bobinado. Las características velocidad - torque dan al motor DC una versátil aplicación. El torque de régimen de un motor D.C es dado a una velocidad específica llamada Velocidad Base. El motor para el movimiento de la dirección del quad y las especificaciones en la chapa del mismo. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 65 Figura 43 Motor DC para el control de la dirección Quad En la figura se pueden observar las especificaciones del motor para el control de la dirección. En el eje principal se encuentra montado el potenciómetro que indica la posición del ángulo de dirección. En la hoja de datos del fabricante se especifica la utilización de este actuador en sistemas en vehículos que no superan 50km/h. Se necesita un circuito electrónico adicional para el control del motor DC. Hemos optado por realizar este circuito basando en el integrado 18200, Puente-H de potencia con control pwm al que emplearemos para gobernar el motor de la dirección. La señal Pwm puede controlar la velocidad de giro pero este la velocidad máxima de movimiento del pistón no es muy elevada por lo que optaremos por el control todo-nada. Por lo tanto, en esta aplicación práctica, configuraremos el sistema genérico para el envió de dos señales pwm a los servos del acelerador y freno, una señal todo-nada para el control del motor DC y para la adquisición de datos analógicas para la lectura del valor del potenciómetro. Montaremos un circuito adicional al sistema de dirección para el control del motor DC. Normalmente se emplea un puente-H pero por cuestiones físicas y trabajos futuros hemos optado por el circuito integrado 18200 que puede mover izquierda, derecha, desembragar, dirección o mantener fija en una posición además del control de la velocidad de giro por pwm. El control de la dirección que planteamos en esta aplicación práctica es sencilla: mover la dirección hasta que el potenciómetro nos devuelve un valor igual a la posición deseada. En realidad se trata de la implementación de un servo digital dónde hemos sustituido el control electrónico normalmente usado por los impulsos del microcontrolador. La optimización del posicionamiento de la dirección implica la implementación de un regulador para mejorar la respuesta del sistema y lo hemos previsto para trabajos futuros. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 66 3.3.3.3. Sistema de Adquisición de datos . Usaremos la adquisición de datos analógica y conversión a digital a través de una entrada analógica del microcontrolador, definida a este fin. Esta dispone de una resolución de 10bits, es decir el rango de valores de 0 y 5 voltios serán convertidas en un rango de 0 a 1023 valores digitales. valor digital valor analógico 1023 5V 0 0V 511 2.5V 205 1V Tabla 9 Equivalencias digital - analógico Una mejora sustancial en la resolución de las lecturas se consigue empleando una característica que ofrece el microcontrolador Pic, Vref. Dos de los pines se configuran cómo voltaje referencia positivo y negativo y la lectura se traduce a este rango especificado. Los valores devueltos por le potenciómetro están en el rango 619 para giro máximo derecha y 719 para giro máximo izquierda. Esto nos da un resolución de solamente 100 valores. Configurando Vrefen 1.77V y Vref+ a 4.77V, teniendo en cuenta que el valor centro del potenciómetro está en 3.27V, obtendremos una resolución tres veces mayor. Configuración del microcontrolador para la adquisición de datos Lectura potenciómetro: configuración ADCON El microcontrolador dispone de 13 entradas analógicas de los cuales activaremos una para la adquisición de datos y dos para los valores de referencia. Los registros encargados de la adquisición y conversión de analógico a digital son ADCONx. 3.3.3.4. Sistema de Alimentación . Alimentación servos, motor DC, potenciómetro Circuito batería La batería del quad debe suministrar suficiente corriente para motor de arranque del quad (12V). y para la alimentación de los servos y del sistema de control del quad. Suministraremos 5V para los servos, regulados con el componente LM7805 y 12V para la dirección, regulados con el componente LM7812, El potenciómetro se ha de alimentar a 5V, tomando corriente de la misma fuente que los motores. 3.3.3.5. Sistema de Control . Firmware: Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 67 El dispositivo debe atender ordenes del pc a través del usb y gobernar los dos servos del acelerador y freno además del sistema de posicionamiento de la dirección constituido por lectura del potenciómetro, calculo del error y aplicación del regulador y actuar sobre el potenciómetro. Los datos que recibe el microcontrolador son valores de aceleración / desaceleración por el posicionamiento del servo del acelerador en un rango de 0 a 180 grados. De forma análoga se recibe los datos para el freno con el valor cero representando el freno libre y 180 freno activado a máximo. Otro dato relevante es la dirección de giro, 0 a izquierda y 1 a derecha. Por ultimo, el valor de la posición de la dirección, comparable con el valor del potenciómetro. Los valores del acelerador, freno, posición giro y sentido giro de la dirección del vehículo son determinados en el momento de la calibración y recibidos por el firmware Figura 44 Disposición de los datos en el vector de bytes Los datos a transmitir al PC son las posiciones de los dos servos y la lectura del potenciómetro junto al error a corregir. Estructura funcional del firmware Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 68 Figura 45 Diagrama lógica del firmware Para nuestra aplicación práctica, la interpretación de los datos analógicos es la correspondencia entre estos y los valores angulares de giro de la dirección. Aplicación software de control y monitorización de acelerador, freno y dirección con control remoto. Este es un programa para probar las funcionalidades de los sistemas implementados en el quad y garantizar un perfecto control manual. Está organizado por módulos de tal manera que para desarrollar futuras aplicaciones basta con añadir los módulos que interesa al nuevo proyecto. Definimos tres módulos principales: la comunicación usb con el dispositivo genérico, la comunicación mediante sockets (wifi) con el control remoto la monitorización de los datos a enviar y de los datos recibidos. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 69 Figura 46 Clases de la aplicación de control y monitorización. Para la movilidad se plantea una aplicación con conectividad wifi para el control remoto. El último módulo es la aplicación principal. La interfaz de comunicación con el dispositivo usb será le encargada de la conversión de los datos mostrados / requeridos a datos que el microcontrolador entienda. Esta comunicación tiene la segunda prioridad, la más alta prioridad la tiene el control remoto. La interfaz remota es la encargada, de recibir los datos del control remoto y actualizar los datos a enviar al dispositivo usb. El control remoto ha de recibir periódicamente los estados actualizados de los actuadores del vehículo por parte de la interfaz de monitorización. Figura 47 Esquema componentes del quad. Necesidad de control remoto Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 70 El Pc que controla el dispositivo Usb no dispondrá de pantalla o teclado durante el movimiento del vehículo. Para acceder a estos datos implementaremos dos vias mediante configuración y conexión a una red Wifi: - Control remoto del Pc quad con escritorio remoto la que usaremos para arrancar el programa de control, comprobar el estado del sistema operativo o en caso de emergencia para acceder a la información adquirida. No vamos a usar esta opción para el control del quad por las inconveniencias de tiempo real requerido. - Control remoto a través de una Pda. El programa de control del pc actúa como servidor, atendiendo las ordenes del programa cliente del Pda. Control manual de la aplicación El programa de control de la Pda puede acelerar, frenar o posicionar la dirección. Para más seguridad, el quad dispone de un mando a distancia RF que corta la alimentación con gasolina al motor térmico para casos extremos. El software del sistema genérico está configurado con controles y mecanismos de sincronización y de exclusión mutua para el control de los actuadores. Además de los trabajos futuros mencionados queremos plantear la gestión de la alimentación para conseguir una alimentación inteligente además de un sistema alternador para la recarga de las baterías cuando el vehículo se encuentra en marcha. Y quizás una utilidad que puede resultar a la vez apasionante es la integración de gps para selección de objetivo y posicionamiento. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 71 4. Conclusiones. Sistema de Control Embebido conectable a PC: Diseño y Aplicaciones Prácticas 72 4.1. Conclusiones . El trabajo presentado facilita la conectividad de periféricos de diseño con un ordenador personal para ser controlados y monitorizados de una manera sencilla, rápida y económica. Su aplicación es muy amplia pudiendo ser utilizado también en el ámbito profesional. Mediante aplicaciones prácticas de control embebido hemos conseguido, con la configuración correspondiente del sistema, el control en tiempo real de varios tipos de actuadores. Hace una década este proyecto hubiera sido muy costoso mientras que hoy en día, con el avance de la tecnología, la versatilidad de los componentes y el acceso a la información lo hemos conseguido. 4.2. Trabajos futuros . Todos los campos de investigación y desarrollo que hemos podido abarcar en este proyecto nos han absorbido y cautivado de tal manera que nos es difícil poner punto final. No queremos decir que “lo mejor queda en el tintero” porque lo que hemos conseguido es un primer gran paso que demuestra que los objetivos planteados son factibles. Deseamos, en primer lugar, mejorar el sistema genérico para el control remoto a larga distancia a través de internet y vencer los problemas para conseguir una transmisión de datos en tiempo real. Los trabajos futuros que planteamos cubre tanto el sistema genérico cómo las aplicaciones prácticas. Las aplicaciones prácticas nos han enseñado las posibilidades actuales y las que podemos conseguir con nuestro sistema y cómo podemos mejorarlo. Como trabajos futuros especificamos: Adaptar nuestro sistema para la comunicación sobre Ethernet por conexión inalámbrica. La implementación de Visión artificial para el reconocimiento de figuras simples. La implementación de un regulador Pid para el control del motor DC. Implementación y aplicación de algoritmos para reducir la distancia de frenado en el sistema de navegación móvil. Mejorar la resolución de la lectura de un valor analógica mediante elementos mecánicos reductores y la utilización de lecturas comparativas con un voltaje de referencia. Aprovechar a fondo las características del circuito integrado 18200 para el control de la velocidad de giro por pwm. Gestión de la alimentación para conseguir una alimentación inteligente además de un sistema alternador para la recarga de las baterías cuando el vehículo se encuentra en marcha. Integración del sistema gps al nuestro sistema genérico para selección por objetivo y posicionamiento.