"Metodología propuesta para el diseño e implementación de

V Seminario Internacional RIEI
“Educación de Ingenieros:
Ciencia, Tecnología, Medio Ambiente y Sociedad”
24-27 Agosto, La Habana, Cuba
Metodología propuesta para el diseño e implementación de
prototipos electrónicos en tarjetas de circuito impreso
C. José León Hernández Oliver1,
C. José Ricardo Pedroza Ensaldo1,
C. Carlos Osvaldo Romero Osnaya1,
M. en C. Alfredo López Monroy2,
Dra. Georgina García Pacheco3
1ESIME Zacatenco, IPN
2Centro de Investigación en Cómputo, IPN
3Academia de Física de ICE, ESIME Zacatenco, IPN
Tel. +52 5729 6000 extensión 54600
[email protected]
Tema de la convocatoria Ciencia y Tecnología
Introducción
Una de las principales habilidades que es
deseable desarrollen los estudiantes de
ingeniería electrónica es el diseño e
implementación de sistemas electrónicos. A
pesar de contar con los conceptos y
fundamentos básicos para realizar el diseño de
un prototipo, generalmente, los alumnos realizan
éstos sin seguir una metodología a través de la
cual se logre un diseño que garantice su
funcionamiento.
Un correcto diseño de la tarjeta de circuito
impreso; así como, una adecuada selección de
sus elementos, son factores determinantes en el
desarrollo de cualquier prototipo electrónico. Por
lo que, en el presente trabajo, se introduce una
metodología que sirva de guía y oriente a los
estudiantes en el diseño e implementación de
prototipos electrónicos.
Desarrollo
Los pasos que integran la metodología propuesta
se ilustran en la Figura 1. A continuación se
describe cada etapa:
Etapa 1. Comprensión del problema. Se debe
entender plenamente la tarea que se desea
desempeñe el prototipo, y a partir de ello
establecer los requerimientos generales del
mismo, como por ejemplo:
 Si se requiere medir una variable física
se debería determinar el rango y
precisión que se desea en la medición.
 Velocidad de operación en sistemas de
tiempo real es función del tiempo de
respuesta del prototipo.
 La temperatura a la cual operará
normalmente el prototipo.
 La ubicación, sí es fija o portátil.
En caso de que el prototipo precise de un
componente de software, se puede iniciar
paralelamente el diseño de éste,
considerando los requerimientos impuestos
por la parte electrónica.
Comprensión del problema
Requerimientos
Medición de resistividad de películas
metálicas en función de la temperatura
Desarrollo de la solución
Análisis del
problema
Circuitos
Dispositivos
Diseño
teórico
Implementación de la solución
Tarjeta de circuito
impreso
Ajustes, calibración y
pruebas
Documentación
Técnica
como “un elemento de un sistema
electrónico, capaz de realizar una operación
matemática con señales eléctricas”, por
ejemplo,
un
sumador,
integrador,
convertidor analógico – digital, filtro, etc.
Usuario
Figura 1. Metodología propuesta
Etapa 2. Desarrollo de la solución.
Se
consideran 4 sub-etapas, que son explicadas a iii.
continuación:
i.
Análisis del problema. Implica separar el
prototipo en etapas generales. Se auxilia de
representaciones gráficas como, por
ejemplo, diagramas de niveles, Figura 2.
ii.
Circuitos. Identificación de las señales que
se manejarán (electromagnéticas y/o
eléctricas), especialmente las de entrada y
salida, esto permitirá refinar la solución
mediante el enfoque funcional, el cual
consiste en conformar un conjunto de
“bloques funcionales”, que lleven a cabo el
procesamiento deseado sobre las señales
de entrada a fin de producir las señales de
salida [1]. Un bloque funcional se definen
Señales,
acondicionamiento
y hardware para
adquisición de
datos
Procesar datos y
visualizar
resultados
Figura 2. Ejemplo de un diagrama de
niveles para un prototipo específico
Identificar posibles circuitos para cada
bloque funcional. Posiblemente, para la
mayoría de bloques funcionales, que
integren un prototipo, existan circuitos
típicos que los implementen. Por lo
tanto, se debe identificar cuál podría ser
el más adecuado, enfocándose en los
componentes
necesarios
y,
considerando, desde luego, los
requerimientos
y
especificaciones
establecidas.
Dispositivos. En la búsqueda de dispositivos
electrónicos se debe considerar que cubran
los requerimientos y especificaciones del
prototipo. Esto se puede verificar a través
de la consulta de las hojas de datos (data
sheets) de los componentes. Es deseable
considerar dos o más opciones para cada
componente, de ser posible, de diferentes
fabricantes. Por supuesto, cada diseño
poseerá sus propias características, sin
embargo, en general se pueden
adicionalmente considerar los siguientes
criterios:
 Costo. Al cotizar con diferentes
proveedores, éstos indican, el número
mínimo de piezas que sea posible
adquirir y el costo de envío e impuestos.
Se recomienda, aprovechar las muestras




gratuitas que algunos fabricantes
de firmware; así como, para la
ofrecen.
programación final del dispositivo.
Disponibilidad. Podría darse el caso que
no fuera posible importar cierto iv. Diseño teórico del prototipo. En esta etapa
se deben aplicar los fundamentos de la
componente. Por otra parte, el tiempo de
ingeniería electrónica y circuitos eléctricos
entrega de componentes podría variar
para el diseño de los circuitos involucrados,
desde días hasta meses.
el cual se debe auxiliar con el uso de
Empaquetado.
Últimamente
los
software [2] para, por ejemplo, elaborar
dispositivos de montaje superficial (SMD,
diagramas esquemáticos y su simulación. El
Surface Mount Device) han ganado
software de simulación generalmente
popularidad, al grado de que algunos
incorpora modelos de un amplio número de
dispositivos solo están disponibles en
dispositivos y; además, en caso de no
dicha presentación. A pesar de las
contener algún dispositivo permite agregar
numerosas ventajas que ofrecen, el
nuevos modelos. Es deseable que los
inconveniente radica en que se requiere
dispositivos empleados en el diseño se
de un equipo especial para soldarlos,
acompañen del modelo correspondiente
sino se cuenta con éste, se recomienda
para su simulación y emplear éstos en el
elegir componentes que sea posible
diseño del prototipo. En cuanto al desarrollo
soldar con un cautín convencional.
del firmware para dispositivos programables
Confiabilidad y ventajas. Ciertos
éste se debe apoyar de todas las
componentes electrónicos podrían
herramientas disponibles para su simulación
reducir el número de elementos
y depuración.
necesarios para implementar un bloque
funcional o incluso llevar a cabo la tarea
Se recomienda no iniciar el diseño de la
de varios de ellos. En tales casos, esto
tarjeta de circuito impreso (PCB, Printed
podría aumentar la confiabilidad del
Circuit Board) hasta no verificar plenamente
prototipo debido a que, un diseño simple
el correcto funcionamiento del diseño a través
podría tener una menor probabilidad de
de software de simulación. Por medio de un
falla con respecto a uno de mayor
buen uso de las herramientas, actualmente
complejidad.
disponibles, es posible identificar fallas y
Documentación, herramientas y soporte
realizar las modificaciones necesarias al
técnico. La documentación (application
diseño antes de que este sea implementado
notes, white papers, y technical papers)
de manera física, esto podría reducir costos y
proporcionada por los fabricantes de
tiempo en la construcción del prototipo.
componentes representa una importante
fuente de conocimientos sobre el uso
éstos. Por otra parte, hoy en día las Etapa 3. Implementación de la solución. En esta
herramientas de software que asisten en etapa se considera:
el diseño electrónico permiten simular el
comportamiento de una amplia variedad i. Diseño de la tarjeta de circuito impreso. A
pesar de que el uso de software de
de dispositivos; por tanto, es deseable
simulación puede proporcionar cierta
que los dispositivos que se seleccionen
confianza sobre el correcto funcionamiento
cuenten con dichos modelos, los cuales
del prototipo, su implementación física podría
son proporcionados por muchos
fallar debido a un diseño incorrecto de la
fabricantes.
Para
dispositivos
tarjeta de circuito impreso que lo alojara.
programables se deben evaluar las
Dependiendo de la aplicación en particular,
herramientas adicionales que ofrecen los
será necesario considerar diferentes aspectos
fabricantes como por ejemplo el software
sobre la PCB, en esta etapa resultará de gran
para la edición, simulación y depuración
utilidad la documentación obtenida sobre los
componentes. En general, se recomienda
considerar los siguientes aspectos básicos:
 Minimizar el efecto, tanto de la
interferencia causada por radiaciones
electromagnéticas (EMI’s del inglés
Electromagnetic Interference’s), como el
del ruido introducido a través de las
líneas de suministro eléctrico [3].
 Protección
del
prototipo
contra
descargas electrostáticas.
 Disipación de calor. Es necesario
considerar la manera en que el calor
producido, por los componentes, se
disipará. De tal manera que, no afecte el
desempeño de los mismos [4].
ii.
Ajustes y pruebas. Algunos prototipos
requerirán de algunos ajustes a sus
componentes, una vez realizados, se debe
asegurar el funcionamiento del prototipo
midiendo corrientes, voltajes, tiempos de
respuesta y por la verificación del correcto
procesamiento de las señales involucradas en
el prototipo.
Etapa 4. Documentación. Durante toda la
metodología se generará información respecto al
diseño y su funcionamiento, con la cual se debe
redactar un reporte técnico detallado y un
manual de usuario comprensible.
Dependiendo del prototipo cada etapa requerirá
diferentes intervalos de tiempo para ejecutarse,
sin embargo, se puede considerar para cada
etapa un tiempo aproximado, el cual se ilustra
mediante la Figura 3.
Figura 3. Proporción de tiempo aproximada
para cada paso de la metodología.
Con respecto a la Figura 3 y en términos de
porcentajes para cada paso se puede considerar:
 Comprensión del problema (1) 10%
 Desarrollo solución (2)
60%
 Implementación prototipo (3) 35%
Al finalizar la verificación del prototipo se debe
invertir solo un 5%, o menos, del total de tiempo
para la etapa de documentación (4), esto debido
a que la recopilación de información, como lo
ilustra la Figura 3, inicia con la primera etapa de
la metodología, de tal manera que la
documentación implicará, en su mayor parte,
reunir y ordenar información generada
previamente.
Resultados y discusión
La metodología propuesta, es aplicada al diseño
de un sistema de adquisición de datos que
permitirá medir y almacenar datos de mediciones
de resistividad en función de la temperatura de
muestras metálicas.
A continuación indican las etapas de la
metodología que han sido concluidas en el
prototipo mencionado arriba.
Etapa 1. Comprensión del problema.
En la literatura [5] se reporta que la resistividad
se puede obtener a través del método de Kelvin,
o de las cuatro puntas, el cual precisa medir la
caída de voltaje de la muestra, cuya resistividad
se desea determinar, mientras se le aplica a ésta
una corriente (directa). A partir de la magnitud de
la corriente y la caída de voltaje se calcula la
resistividad de la muestra. Por otra parte la
muestra estará sujeta a un tratamiento térmico
empleando un horno el cual, de acuerdo a sus
propias especificaciones, puede alcanzar una
temperatura máxima de 1000°C. En base a lo
anterior se establecieron las siguientes
consideraciones:
 Rango de medición:
Temperatura: 0°C a 1000 °C.
Resistividad: 100 m/m2 a 20 /m2.
 Precisión mediciones:
Temperatura ± 2 ° C.
Resistividad ± 10 m/m2.
 No se requiere de una respuesta en tiempo
real, las mediciones realizadas se deben
enviar y almacenar en un equipo de
cómputo.
 Temperatura ambiente de operación: de 10
°C a 50 °C.
 Ubicación fija.
 Se determinó que el rango y precisión del
voltaje y corriente requeridos, para realizar
mediciones de resistividad en el intervalo
establecido, deben encontrarse en:
Rango de corriente: 100 A a 5mA.
Precisión: ± 10 A.
Rango de voltaje: 100 V a 10 mV.
Precisión: ± 10 V.
Para medir voltaje y corriente se consideró, a
partir de la literatura consultada [7], el diagrama
funcional de la figura 5.
A
3
Resistor/muestra
Filtrar
Etapa 2. Desarrollo de la solución
a) Análisis del problema. Como primera
aproximación se elaboró el diagrama
ejemplo de la Figura 2. Refinando la solución
se encontraron para medir temperatura (bajo
los requerimientos definidos para él
prototipo), dos opciones, empleando un
detector de temperatura resistivo (RTD, del
inglés Resistance Temperature Detector) o
un termopar. Se encontró en la literatura [6]
que para el uso del termopar son necesarios
uno o más bloques funcionales, bloques B,
1, 2 y 3 de la Figura 4a. En cuanto al RTD,
su uso precisa, de manera similar al
termopar, de amplificar y convertir, en un
voltaje lineal, el voltaje de salida del RTD.
Para generar dicho voltaje de salida, el RTD
necesita alimentarse con una fuente de
corriente directa del orden de miliamperes,
bloque C de la Figura 4b. Adicionalmente,
tanto para el termopar como para el RTD se
requiere filtrar señales indeseables, bloque 2
de la Figura 4a y 4b.
A
Termopar
B
Compensación
unión fría
2
3
Filtrar
Amplificar
1
Linearizar
...
a)
C
D
1
Excitación
RTD
Linearizar
2
3
Filtrar
Amplificar
...
b)
Figura 4. Diagramas de bloques funcionales
para medir temperatura
4
Amplificar
...
Figura 5. Diagramas de bloques funcionales
para medir corriente y voltaje
Para el posterior procesamiento de las señales
obtenidas de los últimos bloques provenientes de
las Figuras 4 y 5 se estableció el diagrama a
bloques de la Figura 6.
5
...
6
Interfaz
Conversión
analógica - digital
4
Equipo de
cómputo
Figura 6. Diagrama de bloques para
procesamiento de las señales de los
bloques de las figuras 4a, 4b y 5
b) Identificación de circuitos para bloques
funcionales. Para emplear tanto el termopar
como el RTD se encontraron diferentes
circuitos que requieren desde 15 hasta 20
componentes, entre ellos, un amplificador
operacional y el resto, en su mayoría,
resistencias y capacitores, mismos que
implementan la compensación de la unión
fría para el caso del termopar, la
amplificación de la diferencia de voltaje
generado por ya sea el termopar o el RTD y,
la conversión de la salida típica de voltaje del
termopar o RTD en un voltaje lineal.
Los circuitos típicos para medir corriente
emplean un resistor de bajo valor (desde
miliohms hasta ohms) como sensor, y ya sea
un amplificador de instrumentación o un
amplificador diferencial (según la aplicación).
En lo que respecta al voltaje que se requiere
medir, éste es el de la muestra misma, por
consiguiente, se asumió que los circuitos
para la medición serían similares a la
medición de la corriente.
Para el bloque de filtrado se encontró que
generalmente se emplean configuraciones
típicas de filtros pasivos basados en redes
RC y filtros activos pasabajas de diferentes
órdenes.
En tanto para la conversión analógica digital
existen diversas opciones, principalmente a)
componentes dedicados exclusivamente a la
conversión analógica digital con un puerto de
comunicación para la transmisión de los
resultados a otros componentes que los
procesen y, b) dispositivos programables
tales
como
microcontroladores
o
procesadores de señales digitales que
incorporan unidades de conversión analógica
– digital además de diversos puertos de
comunicación que permiten ya sea procesar
los resultados de la conversión o enviarlos a
otros dispositivos similares o a un equipo de
cómputo.
La interfaz que últimamente ha ganado
terreno, para la comunicación con un equipo
de cómputo, frente a otras opciones es la
que emplea el protocolo de comunicación
USB, sin embargo el conocido estándar RS232 es aún ampliamente utilizado. Para
ambos existen: 1) componentes que
contienen la circuitería y firmware necesario
para implementar, en conjunción con otros
dispositivos (generalmente programables),
una comunicación USB. En cuanto al
estándar RS-232 se pueden encontrar desde
dispositivos capaces de convertir un código
paralelo de 8 bits al código serie
correspondiente en el estándar RS-232,
hasta componentes que solamente
proporcionan los niveles de voltaje del
estándar para una comunicación con un
equipo de cómputo, y 2) dispositivos
programables que las incorporan, lo que
ofrece, en muchos casos, enormes ventajas
con respecto a la anterior opción.
c) Búsqueda y selección de dispositivos. Para
cada bloque se identificaron diversas
opciones, a continuación solamente se
describen los componentes seleccionados.
Se eligió el termopar debido a que su rango
de temperatura máxima es superior al del
RTD y precisamente concuerda con el
establecido para el prototipo. Para el
acondicionamiento de la señal del termopar,
se eligió un dispositivo electrónico que
integra la compensación de la unión fría, la
etapa de amplificación del voltaje generado
por el termopar así como la modificación de
este en un voltaje lineal. Incluye además
protección contra descargas electrostáticas y
sobrevoltaje en las terminales de conexión
con el termopar. Para remover señales de
radio frecuencia, facilita agregar un filtro con
solo tres capacitores y un par de resistores.
Con el dispositivo elegido, se requieren en
total de solamente 8 componentes para
implementar 4 bloques funcionales lo que
simplifica enormemente el diseño del
prototipo, debido a que solamente será
necesario calcular los valores de los
elementos del filtro para la frecuencia
deseada lo que no resulta difícil dado que el
fabricante proporciona valores típicos para
las frecuencias más comunes.
Para medir el voltaje se eligió un amplificador
diferencial de precisión con una ganancia de
hasta 20. El mismo integra a) protección
contra descargas electrostáticas, b)
protección contra sobrevoltajes en las
terminales inversora y no inversora, y c)
filtros para remover el ruido causado por
interferencia electromagnética. Su diseño
permite agregar un filtro de primer orden,
para bajas frecuencias, con solo conectar un
capacitor a una de las terminales del
dispositivo o un filtro de segundo orden al
agregar, además de un capacitor, un
resistor.
En cuanto a la corriente se seleccionó un
amplificador de instrumentación de ganancia
fija el cual incorpora resistores para facilitar
la implementación de filtros además de
protección contra descargas electrostáticas y
sobrevoltajes.
Finalmente, para la conversión analógicadigital y la interfaz se eligió un
microcontrolador con procesador de
arquitectura RISC 16/32 bits con una
velocidad de hasta 40 MIPS, 32 Kb de
memoria Flash/EE y 4 Kb de SRAM,
incorpora, entre otros periféricos, un
convertidor analógico - digital (8 canales) de
16 hasta 24 bits de resolución a un máximo
de 8 Ksps, además de diversos puertos de
comunicación. Una ventaja es que el
fabricante ofrece una sencilla tarjeta de
evaluación que facilita el uso del dispositivo.
Entre los criterios que se consideraron para
la selección de los dispositivos, antes
descritos se encuentran:
Costo. Se verificó que el costo total de todos
los componentes se encontrará dentro del
presupuesto disponible, se consideraron
otras opciones de menor costo sin embargo
las características de los componentes
seleccionados son superiores a las
alternativas consideradas.
Disponibilidad. El fabricante ofrece muestras
de los componentes a excepción del
microcontrolador en caso de comprar los
dispositivos, éstos se pueden obtener (desde
una pieza o al mayoreo) en promedio en un
máximo de 10 días.
Ventajas. De acuerdo a las características de
los componentes elegidos éstos facilitan
enormemente el diseño debido a que
reducen el número de elementos necesarios
y por consiguiente el número de conexiones.
Conclusiones
La metodología propuesta ha permitido la
conclusión de la etapa 2 en un 80% del diseño
para la fabricación del -sistema de adquisición de
datos- para medir resistividad eléctrica en
función de la temperatura; de forma sistemática y
minuciosa. Así, que las etapas subsecuentes: la
implementación de la solución y su
documentación serán realizadas sobre una base
firme que evite pérdidas de tiempo y gastos
innecesarios.
Agradecimientos
Los autores agradecen al IPN el apoyo financiero
(Proyecto SIP 20110490). Georgina García
Pacheco es becaria de COFAA y CONACYT,
Alfredo López Monroy es becario del CONACYT
y Carlos O. Romero Osnaya es becario del PIFI.
Referencias bibliográficas
[1] Ing. Margarita García Burciaga e Ing. Arturo
Cepeda
Salinas;
“Ingeniería
en
Comunicaciones y Electrónica a Bloques”;
Instituto Politécnico Nacional.
[2] Mark Birnbaum, “Essential electronic design
automation (EDA)” Prentice Hall modern
semiconductor design series. Prentice Hall
Professional, 2004.
[3] Jean – Michel Redouté, Michiel Steyaert.
“EMC of Analog Integrated Circuits. Analog
circuits and Signal Processing.”, Springer
2009.
[4] Patrick D. T. O'Connor, David Newton,
Richard Bromley, “Practical reliability
engineering”, John Wiley and Sons, 2002.
[5] I.D. Baikie, S. Mackenzie, P.J.Z. Estrup and
J.A. Meyer; Rev. Sci. Instrum.;62 (5); pp.
1326-1332; 1991.
[6] Dominique Placko “Fundamentals of
Instrumentation
and
Measurement”.
Volumen 2 de “Instrumentation and
Measurements Series”. Jhon Wiley and
Sons, 2007.
[7] D. Patranabis. “Principles of Electronic
Instrumentation”. PHI Learning Pvt. Ltd.