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DESARROLLO DE MINIPROYECTOS COMO COMPLEMENTO DE LA EVALUACIÓN EN
ASIGNATURAS DE INSTRUMENTACIÓN Y PERIFÉRICOS.
Pascual Pérez Blasco Prof. Ayudante de Escuela Universitaria
Escuela Universitaria de Informática Universidad Politécnica de Valencia
Ginés Benet Gilabert Prof. Titular de Universidad.
Escuela Universitaria de Informática Universidad Politécnica de Valencia
Resumen En las asignaturas optativas de último curso impartidas en la facultad de informática se utiliza el desarrollo de trabajos prácticos como método importante de evaluación. En este artículo se presenta una serie de trabajos prácticos tanto de software como de hardware y las herramientas que permiten al alumno desarrollarlos de una manera sencilla pero sin perder de vista aquellos aspectos claves. Se describen algunos de los trabajos utilizados en la asignatura de instrumentación y periféricos y en la asignatura de laboratorio de informática industrial. Palabras Clave: Evaluación, Microcontroladores, sensores, Sistemas de adquisición de datos. 1 INTRODUCCIÓN. En los últimos cursos de una carrera de ingeniería es de extrema necesidad fortalecer los conocimientos teóricos mediante la realización de trabajos prácticos. Esta importancia se debe a dos razones: por una parte el alumno esta muy cerca de enfrentarse al mercado laboral y es importante que el alumno quede demasiado descolgado desde un punto de vista tecnológico y por otra parte, una de las principales herramientas de las que dispone la Universidad para evitar esto, las prácticas tuteladas en empresa, resultan algunas veces insuficientes y focalizan en gran medida la última etapa de aprendizaje del alumno. Los últimos años de carrera suponen la elección por parte del alumno de una serie de intensificaciones, y es importante sobre todo en las carreras de ciclo
medio que el alumno desarrolle al máximo la capacidad de desarrollo de proyectos. En este sentido en las asignaturas en las que se estudian instrumentación y periféricos se proponen una serie de trabajos que permite que el alumno obtenga una visión clarificadora de lo que son los instrumentos inteligentes. En este sentido la asignatura de instrumentación en su programa intenta abarcar inicialmente desde un punto de vista teórico y después mediante una serie de prácticas y en última instancia mediante los trabajos que el alumno adquiera una visión global de los equipos de medida. Entre los aspectos teóricos que se abordan en la asignatura están: el estudio de los transductores, los equipos de medida y en particular los sistemas de adquisición de datos, esta asignatura está obviamente dirigida a ingenieros informáticos, arquitectura de procesadores especificas para el procesado digital, y por último, los sistemas automáticos de medida. Esta asignatura tiene dos caminos de evaluación, la clásica prueba objetiva, el examen, o la presentación de trabajos. Esta doble posibilidad ayuda a que el alumno no se eche atrás a la hora de elegir este tipo de asignaturas puesto que a priori solo tiene información parcial de la carga, y la realización de exámenes le plantea menos problemas de planificación, aunque obviamente es más atractiva la elección del trabajo y así se demuestra año tras año. Una de las principales razones de la elección ha sido el establecimiento de una serie clara de objetivos en cuanto a trabajos se refiere. También a que las herramientas de las que disponían les permitía calcular más fácilmente la carga que supone la realización de estos trabajos. Otro aspecto de la evaluación muy importante es la exposición pública de trabajos, que supone un aumento no despreciable de la carga del trabajo y al que los alumnos más
miedo le tienen. Los profesores de la asignatura creemos que resulta muy útil pues la presentación pública de proyectos y resultados es una tarea muy importante que deberán realizar frecuentemente durante su carrera profesional. 2 MINIPROYECTOS. A continuación se describen una serie de proyectos o trabajos prácticos que aun no abarcando muchos de los aspectos con los que el alumno se va a enfrentar durante su periplo profesional cubren parte de los mismos. Introducen al alumno en el control de periféricos digitales, analógicos y el desarrollo de pequeños protocolos. Estos trabajos se orientan generalmente para el desarrollo de instrumentos de medida inteligentes. Dado que la asignatura tiene 6 créditos no resulta realista ni el alumno esta lo suficientemente preparado como para pretender que construya un instrumento inteligente completamente. Esto es así para cualquiera de las formas en las que estos aparecen, como instrumento en armarios de instrumentación, ó como un instrumento conectado a un bus serie, ó ni tan siquiera como un instrumento aislado. Si bien los estos miniproyectos abarcan muchos de los aspectos de estos sistemas, esto es posible puesto que cada una de las fases está apoyada por una serie de herramientas que permiten al alumno obtener una idea completa sin tener que estudiar a fondo todos los detalles de las herramientas de desarrollo. Como ejemplo de desarrollo se presentan cuatro pequeños proyectos y las etapas de desarrollo que el alumno debe ir superando para desarrollar. Estas fases van precedidas de un estudio previo de cada herramienta y durante el mismo el alumno utiliza ejemplos de aplicaciones y ejemplos de placas físicamente implementadas. 2.1 FASES DE ESTUDIO Y DESARROLLO
DEL MINIPROYECTO. � Objetivo del proyecto.
En esta primera fase el alumno elige entre una serie de proyectos ya predefinidos o puede incluso proponer alguno, aunque siempre asesorado por el profesor sobre todo en lo que a la complejidad del mismo se refiere. El profesor expone el objetivo principal y expone las necesidades de conocimientos previos que en cualquiera de los proyectos que se proponen debe conocer.
� Recopilación de Documentación. Con la información proporcionada por el profesor, el alumno recopila documentos tanto de los componentes del proyecto como de las herramientas que se van a utilizar. Por supuesto en este sentido casi la única fuente de información es Internet y en este sentido al alumno se orienta con una serie de buscadores temáticos y las palabras claves por las que debe comenzar la búsqueda. � Toma de contacto con las herramientas.
Esta fase es muy importante porque el alumno debe obtener una visión global de las herramientas pero dispone muy poco tiempo para esto. Para ello se dispone de una serie de herramientas como pequeños ejemplos de aplicaciones que pueden utilizarlos parcialmente. En este caso tienen proyectos de C vacíos y proyectos con pequeñas rutinas de E/S, rutinas de interrupción, etc. En lo que refiere al diseño electrónico dispone de dos herramientas de diseño: una herramienta freeware EAGLE Light y el programa OrCAD. Para estos entornos dispone de varios diseños base que permiten orientase manejando el programa y sobre los que son necesarias realizar algunas modificaciones. Están disponibles tanto los circuitos genéricos como las herramientas que el alumno necesita para trabajar, como ejemplos, tienen la placa de entrenamiento digital de la figura 1, placas con interfaz serie, etc. � Desarrollo de Aplicación prototipo
Para el desarrollo de esta fase el alumno necesita realizar comprobaciones: controlar el funcionamiento del microcontrolador, un sensor si es el caso, y para ello debe extraer el microcontrolador e insertarlo en la placa donde tiene los circuitos de control del sensor, o la E/s digital. Para ello se han desarrollado placas base genéricas, unas les permiten insertar el PIC en una board y trabajar mediante el cableado típico de estas placas, otras les permiten realizar transmisiones serie, etc.
En este caso el alumno se despreocupa de los circuitos básicos que hacen funcionar el PIC (Reset, Reloj, Serie), y descarta esta s fuentes de error, muy frecuentes en la práctica.
Fig. 1: Placa genérica para PIC 16F873 � Desarrollo de placa de circuito impreso. Al igual que ocurre con la fase anterior, el alumno dispone de una serie de herramientas y tutoriales de uso. Además disponen de la serie completa de todas las herramientas que se han desarrollado tanto del esquema electrónico como del diseño de la placa de circuito impreso.
2.2 DESARROLLO DE MINIPROYECTOS. Se describen una serie de miniproyectos que pueden resultar útiles para la evaluación de estas asignaturas y cuya dedicación temporal parcial por parte de los alumnos ha sido de aproximadamente 3 semanas. � Detección de distancias con ultrasonidos. El objetivo de este miniproyecto consiste en estudio de un sensor de distancias y el desarrollo de un programa para su gestión. El alumno debe, en primera instancia, estudiar la interfaz que ofrece el sensor de distancias. En este caso se trata de un sensor polaroid serie 6500 que dispone de una interfaz digital compatible TTL. Una vez estudiados los cronogramas debe proponer algún método para calcular el tiempo de vuelo de la señal y desarrollar el algoritmo en lenguaje C. Finalmente la aplicación debe volcar los datos de distancia por el puerto serie de una manera continua. � Sistema de adquisición de datos mediante
Microcontrolador PIC. El alumno debe desarrollar una aplicación para realizar adquisiciones mediante un PIC a modo de PC-LAB, es decir, diseñar una aplicación que gestione las E/S digitales y analógicas del micro. Debe implementar un pequeño protocolo con mensajes ASCII para el intercambio de información y la configuración del periférico inteligente a través del puerto serie. Esto puede consistir en ordenes tales
como: ¿AI-2? (Analog Input channel 2), que adquiere una muestra a través del canal 2 del A/D, o DO-21 (pon un 1 en el canal número 2 de salida digital?, etc. Lo interesante de este protocolo es que solamente es necesario una terminal tonta para enviarle comandos desde el PC al microcontrolador PIC. � Desarrollo de una aplicación para la descarga
automática de programas en PIC’s Con este proyecto al estudiante se introducen en conceptos de la etapa de arranque y etapas de desarrollo de cualquier sistema empotrado. En este caso se trata de desarrollar parte de un protocolo de carga de programas mediante la transmisión de ficheros HEX. El alumno tiene que adaptar ciertas rutinas para su utilización con las memorias flash de estos microcontroladores y la gestión de errores durante la transmisión de los mismos. � Desarrollo de un ratón para PC. Este proyecto más orientado a la implementación física de las placas Microcontroladoras consiste en el estudio codificadores incrementales y su interfaz. En este trabajo el alumno aprende el uso básico de herramientas de diseño electrónico asistido por computador e implementa la placa de circuito impreso. 3 HERRAMIENTAS Y DOCUMEN-
TACION. Para facilitar el desarrollo de estos miniproyectos se han desarrollado una serie de herramientas que permiten al alumno llevar a buen fin estos proyectos permitiendo comprender los aspectos básicos de las mismas. Sensores, circuitos de acondicionamiento, microcontroladores, programadores, entornos de desarrollo empotrados, simuladores, entrenadores lógicos, y entornos para descripción de esquemas electrónicos y desarrollo de placas de circuitos impresos son algunas de los elementos con los que el alumno que trabaje sobre la temática de instrumentación va a tener estudiar. En algunos trabajos se implementan físicamente las placas mediante el tutelaje por parte de los técnicos de laboratorio. En cuanto a la documentación la fuente más rápida y más completa es Internet. En este caso el alumno se le proporciona una serie de direcciones Web y se le orienta en el tipo de información que debe buscar. En lo que respecta a las herramientas electrónicas son de desarrollo propio y que únicamente son necesarias una fuente y un PC la disponibilidad las unidades
necesarias en función de los alumnos. Las herramientas desarrolladas son: � Programador de PIC por puerto paralelo: Dado
que cada alumno dispone de un puesto de desarrollo, es más fácil duplicar el programador, ya que son unos pocos componentes, que disponer de un ordenador común para la programación de los mismos.
Fig.2: Programador Universal de PIC’s
� Entrenador Digital de PIC’s: Consiste en un
circuito que posee un bloque de LED’s y un bloque de microinterruptores, este circuito le permite al alumno realizar las primeras pruebas con el programador y con el entorno de desarrollo.
Fig. 3: Placa de entrenamiento digital � Entorno de Desarrollo: Con las versiones de
evaluación denominado C2C es suficiente para programar los PIC’s utilizados en los trabajos: 16F873/4 y 16F84. Se trata de un compilador del lenguaje C con extensiones para microcontroladores. Variables predefinidas mapeadas en los registros de control y de E/S, posibilidad de incorporar ensamblador entre líneas de código C, determinación de segmentos donde dejar las variables C, etc. La posibilidad de compilar a través del ensamblador es importante para este tipo de arquitecturas ya que siempre hay aspectos que es necesario modificar.
Fig. 4: Entorno de desarrollo. � Ejemplos de programación de Entrada y Salida:
Para que el alumno se familiarice rápidamente con el entorno de programación se han desarrollado unos pequeños programas en C (entre 10 y 90 líneas), este es el equivalente que utilizan las líneas digitales para activar los LED’s y testar los microinterruptores. En estos ejemplos se programan el modo de las líneas digitales, se generan retardos, etc.
� Placa base de propósito general: Esta es una
pieza clave para el desarrollo de los trabajos, se trata de una pequeña placa base de para un microcontrolador con el circuito de reloj y reset ya desarrollado y con un zócalo para pinchar el PIC. Su utilidad la determina la posibilidad de pinchar el PIC en una placa Borrad y asegurarse de que la placa con el PIC ejecutaran el programa correctamente y de este modo centrase en el software de control del sensor o en el circuito de acondicionamiento del sensor o actuado.
Fig. 5: Placa base PIC
Por otra parte se dispone de una placa de expansión sobre la que se pincha esta misma placa base proporcionando la interfaz del puerto serie, además dispone de los zócalos necesarios para conectarse con los diferentes periféricos.
Fig. 6: Placa de ampliación ComPIC.
4 DISPONIBILIDAD. Los esquemáticos y diseño de placas PCB, junto con las herramientas de programación y diseño se pueden bajar de la página web: www.disca.upv.es/pperez/ herramie.htm. La implementación física de las placas utilizando los fotolitos impresos en formato PDF a escala 1:1. Están disponibles también los esquemas desarrollados en formato OrCAD capture 9.2 y Orcad Layout 9.0. 5 CONCLUSIONES Se ha presentado una serie de trabajos prácticos útiles para la evaluación de asignaturas optativas de instrumentación que permiten al alumno tener una visión más real de los periféricos de medida. También se han presentado las herramientas desarrolladas para su desarrollo. En lo que respecta a la mejora de las herramientas se esta estudiando el desarrollo de una placa similar a la ComPIC pero con circuiteria analógica, es decir con potenciometros, filtros, LDR’s, voltímetro, etc. De esta manera se abarcarán completamente todos los aspectos de sensorización impartidos en los temas de sensorización. Referencias [1] Angulo, J.M. (1997) “Microcontroladores PIC.
Diseño práctico de aplicaciones”. McGraw-Hill. ISBN 8448112385
[2] Benet, G. (1990). "Ejercicios de Instrumenta-ción", Servicio de Publicaciones UPV 90-174.
[3] Benlloch, J.V., Valera, A. (1993) "Experiencias Prácticas de Instrumentación". Servicio de Publicaciones UPV 93-690.
[4] Manual de usuario de OrCAD Layout. [5] Martín, E. (2000) .”Microcontroladores PIC : la
solución en un chip”. Ed. Paraninfo, 2000. ISBN 84283237121.
[6] www.microchip.com [7] Pallás, R. (1993) “Adquisición y Distribución
de Señales”. Ed. Marcomo.