INTRODUCCIÓN

El siguiente trabajo contiene el desarrollo de la actividad correspondiente a la Fase n°5 del curso académico microelectrónica, en el cual el grupo de trabajo desarrolla y crea los circuitos integrados para el caso de estudio propuesto, teniendo como base el material de estudio de la unidad N°3 e identificando los aspectos e información relevante.

 

RESUMEN

En el siguiente libro, los lectores encontraran una breve aproximación a las metodologías de diseño de bajo costo en el área de microelectrónica. Tomando como referencia los recursos educativos ubicados en el entorno de conocimiento de la presente Unidad N°3 APLICACIÓN DE DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABALES.

Debido a la complejidad de la temática abordada, se tendrán en consideración los aspectos más relevantes de las lecturas propuestas para generar una idea global sobre los métodos en mención y de esta manera poder cumplir a cabalidad con los ítems planteados en la guía de actividades de la Fase 5.

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UNIDAD #3 APLICACIÓN DE DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES

DISEÑO CON LOGICA PROGRAMABLES Y ESTRUCTURA DE LOS FPGAs

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Las FPGA, están basadas en una estructura regular de bloques dedicados a entradas y salidas. Indica Robayo que usualmente estos bloques de procesamiento se agrupan, además los bloques que pertenecen a un mismo grupo o clusters tienen interconexiones locales, esto hace referente  a una mayor velocidad de interconexión y en el ahorro de recursos globales. El tamaño de estos clusters es una característica que influye en el arte de una FPGA, que fueron desarrolladas a partir de las LCA de Xilinx, este tipo de dispositivos programables están basados en bloques de procesamiento que esta interconectadas. Esas interconexiones al interior de las FPGAS se basan en celdas de SRAM y transistores de paso, que se configuran empleando las celdas de memoria del dispositivo. Debido a la evolución de la tecnología las FPGAS tuvieron que incorporar nuevas prestaciones, agregando a su arquitectura inicial memorias, bloques aritméticos, manejo de flancos de reloj, entradas y salidas, conversores paralelo – serie y viceversa, y el test. Ya que la comercialización de estos dispositivos es alta se encuentran en el mercado FPGAS como Stratix II de altera, Virtex II, Virtex 4 de Xilinx.  Finalmente, se explica que tipos de herramientas de software se han desarrollado para programar estos dispositivos para realizar EDA (electronic desingn Automation).

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OTROS DISPOSITVOS PROGRAMABLES Y FAMILIAS FPAAs

A parte de las FPGAS en la actualidad se han desarrollado diferentes tipos de dispositivos programables, siendo las características más relevantes de estos (extraído de la lectura): 

FPAA o circuito analógico programable: este tipo de dispositivo consta de bloques analógicos configurables, una red de interconexión programable y un registro para almacenar los bits de configuración.  A continuación se muestra el diagrama de bloques para una FPAA:

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 Estos dispositivos son desarrollados por fabricantes como Lattice, Zetex y Anadigm. Es importante mencionar que para el diseño de un circuito analógico programable en cualquiera de los dispositivos del mercado se debe de tener en cuenta la siguiente metodología: 

Cuando no se tienen componentes externos: Definir las especificaciones y requerimientos, diseño del circuito analógico, simulación del circuito, simulación para verificar la respuesta en el dominio del tiempo, implementación del diseño usando FPAA y finalmente test del circuito diseñado.

Cuando se tienen componentes externos: Definir las especificaciones y requerimientos, considerar las limitaciones de los cirycityos lspPAC, diseño del circuito analógico, simulación del circuito, simulación para verificar la respuesta en el dominio del tiempo, implementación del diseño usando FPAA y finalmente test del circuito diseñado.

PROCESADORES DIGITALES DE SEÑAL – DSP

El procesamiento digital de una señal se realiza aplicando operaciones matemáticas a señales representadas en forma digital, las cuales se representan mediante secuencias de muestras. Un microcontrolador, un DSP o un procesador de propósito general pueden ser el corazón del procesador de señales digitales, por otro lado podemos decir que un DSP es un micorprocesador que trabaja estrictamente con señales digitales y poseen una arquitectura especial que permite agilizar los cálculos matemáticos, un DSP incluyer periféricos de entrada y salida que permiten una comunicación efectiva entre los demás componetes de un sistema.

Las caractericas de los DPS es que son formato aritmético, de coma flotante y coma fija, anchos de palabras y con velocidad de ejecución contienen arquitectura Von Neumann o Harvard.

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OTRAS APLICACIONES

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En esta lectura se ilustran aplicaciones de los dispositivos lógicos programables, el primer ejemplo es el de in sistema de telemando, telemetría y tele vigilancia, para lo cual se plantea el siguiente diagrama del sistema:

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 Como circuito lógico se empleó uno de la familia Spartan II de referencia FPGA XC-2S200-PQ-208 del fabricante Xilinx. Para la comunicación con el modem GSM se empleó el protocolo de comunicación RS-232. Finalmente el sistema que se construye en esta aplicación es el de la Figura:

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 Después de este caso práctico se hace una descripción de los sus módulos: UART, codificador de comandos, del codificador de comandos y el convertidor

Como segundo caso práctico se muestra un sistema de control de temperatura, el cual debe de calentar o enfriar teniendo en cuenta la histéresis del sistema, teniendo en cuenta esto se diseñó el circuito a través de un algoritmo en VHDL.

Como tercer caso práctico se muestra un control digital de posición empleando acelerómetros y una FPGA, para lo cual se tiene tres etapas en este sistema el sensor con el acelerómetrjo, el control con la FPGA y el actuador que sería  un servomotor que emplea las señales PWM para su posicionamiento.

 

METODOLOGIA PARA EL APRENDIZAJE DE SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES Y SU DISEÑO

Se introduce como metodología de diseño el método top-down, haciendo énfasis en la relación entre los diferentes niveles de abstracción existentes en el diseño lógico (figura 3), jerarquía y modularidad del lenguaje. Habitualmente todos estos conceptos derivados de este método son nuevos para el alumno y se verán mediante unos ejemplos básicos como un semisumador, un sumador completo y una unidad aritmético-lógica.

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También se introduce al alumno en los lenguajes de descripción hardware, concretamente en el VHDL [4, 5] y la relación de éste con los niveles de abstracción. Los conceptos y conocimientos de sintaxis adquiridos son los suficientes para realizar los diseños propuestos en prácticas. La ampliación de conocimientos de dicho lenguaje se abordará en la asignatura de Diseño Electrónico Avanzado.

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Esta metodología de enseñanza-aprendizaje viene a reemplazar el método clásico de montaje de sistemas digitales en una protoboard basada en familias lógicas como TTL, CMOS, etc.

Al mismo tiempo que se realiza el diseño se hace distinción de los pasos dados y que forman parte del flujo de diseño (figura 4), familiarizando al alumno con este proceso de diseño.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES Y SISTEMAS DE AUTOMATIZACION

En este capítulo del libro que se sugiere leer, se nos habla de un gran número de temas relacionados con los autómatas programables, en donde se explican los conceptos básicos, las unidades de entrada y salida y la unidad central de procesamiento. Después, de indican las instrucciones que pueden poseer los autómatas como son las de salto condicional y las inhibición y desinhibición, y se muestran gran número de ejemplos de diseño y manejo de las instrucciones.  

 

CASO DE ESTUDIO

En el curso de introducción a la ingeniería electrónica del pensum nuevo se tiene el problema que el componente práctico del curso se usan unos dispositivos de programación lógica llamados LEGO, estos dispositivos se pueden programar para que se usen como seguidores de línea, evasores de obstáculos y distintos tipos de robots automatizados, pero estos se encuentran descompuestos y no se pueden usar dentro del curso, por lo que se debe solicita a los estudiantes del curso de microelectrónica diseñar los diferentes integrados en cada Fase y sus layouts para que se pueda suplir la necesidad de desarrollar el componente práctico del curso:

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CONDICIONES DE TRABAJO

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MAPA DE KARNAUGH

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ECUACIONES OBTENIDAS:

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PRE- DISEÑO FUNCIONAMIENTO

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CIRCUITO OBTENIDO

 

LINK:

• Presentación actividad:  https://www.calameo.com/read/005547070cac6df811a8b 

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RETROALIMENTACIÓN COMPAÑEROS

 

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CONCLUSIONES

• Las metodologías de diseño de bajo costo en el área de la microelectrónica han permitido que esta disciplina haya tenido un crecimiento exponencial durante las últimas décadas, lo cual se hace evidente en los avances tecnológicos de última generación.

• De igual manera permite aplicar los conocimientos que se han adquirido durante el estudio del material  y aplicarlos en casos sencillos pero que enriquecen cognitivamente a un grupo, comunidad, etc.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

• plc.pdf. (s. f.). Recuperado 11 de mayo de 2018, a partir de http://www.todopic.net/utiles/plc.pdf

• Popoly.pdf. (s. f.). Recuperado 11 de mayo de 2018, a partir de http://pedrojoanmiro.webcindario.com/Desarrollo_de_Proyectos/Proyectos_Alumnos/Luchadores_Sumo/Popoly/Popoly.pdf

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http://datateca.unad.edu.co/contenidos/299008/299008_AVA/Entorno_de_Conocimiento/Unidad_3/Diseno_con_logica_programable_y_estructura_de_los_FPGAs.pdf

• Robayo, F. (2009). Otros Dispositivos Programables y Familias FPAAs. Bogotá D.C.: Universidad Nacional Abierta y/a Distancia. Disponible en:

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/299008/299008_AVA/Entorno_de_Conocimiento/Unidad_3/Otros_dispositivos_programables_y_familias_FPAAs.pdf

• Robayo, F. (2009). Otras Aplicaciones. Bogotá D.C.: Universidad Nacional Abierta y/a Distancia. Disponible en:  http://datateca.unad.edu.co/contenidos/299008/299008_AVA/Entorno_de_Conocimiento/Unidad_3/Otras_Apliaciones.pdf

• Magdaleno, E., Rodríguez, M., Ayala, A., Mendoza, B., & Rodríguez, S. (2004). Metodología para el Aprendizaje de Sistemas Electrónicos Digitales y su Diseño.. Consultado en 10, 18, 2014 en  http://e-spacio.uned.es/fez/eserv.php?pid=taee:congreso-2004-1133&dsID=SP102.pdf.

Pérez, E. M., Acevedo, J. M., & Silva, C. F. (2009). Autómatas programables y sistemas de automatización. Consultado en 10, 18, 2014 en http://books.google.es/books?hl=es&lr=&id=5jp3bforBB8C&oi=fnd&pg=PA1&dq=Dispositivos+l%C3%B3gicos+Programables&ots=g0Bv8_5kYa&sig=C96Lo0qnl71HSeAXhQgDpm_5DUE#v=onepage&q=Dispositivos%20l%C3%B3gicos%20Programables&f=false.

 

• Caicedo Grueso, R., & Velasco Medina, J (2003). Diseño de Circuitos Análogos Usando FPAAs. In IX Workshop Iberchip.. Consultado en 10, 25, 2014 en http://www.iberchip.net/IX/Articles/PAP-073.pdf.

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