Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los
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Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación AMBIENTES DE APRENDIZAJE PARA REPOTENCIAR EL ÁREA DE ELECTRÓNICA Laboratorio de Electrónica La propuesta es la transferencia de las tecnologías de entrenamiento desarrolladas en Israel para la formación en electrónica, mediante la implementación de laboratorios de Electrónica. Electrónica Básica Los laboratorios de Electrónica Básica están compuestos por cuatro áreas que permiten el desarrollo integral de las competencias requeridas a nivel industrial para carreras técnicas y tecnológicas, integrando en ellos una amplia gama de equipos disponibles para el aprendiz. Las áreas que componen los laboratorios de electrónica son: Electrónica Análoga. Electrónica Digital. Microcontroladores. Electrónica de Potencia. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación El laboratorio de Electrónica Básica (EB-3000), se basa en una unidad de base inteligente universal con instrumentos de medición, comunicación inalámbrica y fuentes de alimentación, y una biblioteca de más de 40 cursos diferentes que permiten, dado su enfoque modular, la adaptación fácil a una amplia variedad de necesidades de formación, que satisfacen diferentes planes de estudio. Esta biblioteca de cursos abarca las áreas planteadas, donde a través de una plataforma de entrenamiento que puede ser independiente o basado en computadora (CBT), se le suministra al aprendiz la teoría fundamental, el procedimiento detallado y las observaciones necesarias para el buen desarrollo de su proceso de formación. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Equipos de Electrónica básica Dado que el proceso de supervisión del progreso de cada aprendiz es fundamental para un buen acompañamiento y enrutamiento de los estudiantes, el instructor cuenta dentro del laboratorio con una herramienta de nuestro sistema patentado de gestión de aprendizaje para realizarlo, a través de una red inalámbrica (WiFi) y el software de gestión CML. La metodología de operación consta de tres modos únicos, además del modo regular de experimentación: Práctica: El aprendiz debe identificar el componente o circuito que se ha modificado. Test: El aprendiz debe localizar una serie de cuatro faltas insertados al azar. Maratón: El aprendiz se presenta con un máximo de ocho fallas que se repiten en orden aleatorio. El laboratorio abarca variados temas, tales como: conceptos básicos, electricidad, magnetismo, motores y generadores eléctricos, sensores, dispositivos semiconductores y circuitos, amplificadores operacionales, electrónica de potencia, puertas lógicas, la lógica secuencial, de lógica programable, microprocesadores, microcontroladores, sistemas embebidos y FPGA y circuitos de comunicaciones, y sus componentes se describen a continuación: Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Práctica de estudiante en el Laboratorio de Electrónica Unidad base con fuente de alimentación. Estaciones de trabajo de los estudiantes, incluido el equipo de hardware y una computadora. Computadora del Instructor. Red de área local. Servidor. CML (siglas en Inglés de “Laboratorio Manejado por Computadora”) Sistema de gestión de aprendizaje. Unidad de Base Universal EB-3000 Unidad Base – Es un entrenador Universal contemplado en un marco de plástico fuerte para prácticas en Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, usando tarjetas Inteligentes Insertables, las cuales son conectadas a la unidad base por medio de un conector de 48 contactos de baja impedancia. Este entrenador puede ser operado con o sin una PC. El módulo incluye los siguientes Instrumentos y componentes: 5 Fuentes de Alimentación: +12VDC, +5VDC, -5VDC, -12VDC y 12VDC a +12VDC. 2 Voltímetros. Amperímetro. Contador de Frecuencia a I MHZ. Probador Lógico (Alto, Bajo, Abierto, Pulso, Memoria). Analizador lógico con 8 entradas Digitales y entrada de Disparador. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Osciloscopio de 2 Canales (con Analizador Espectral). Generador de Funciones (Sinusoidal, Cuadrada, y Triangular). Pantalla Táctil LCD de 3.2 pulgadas de colores. Teclado de 21 teclas para expansión de teclado. 10 Relees internos para inserción de averías. Conexión USB para PC. Módem Inalámbrico para comunicación con estación de Control. El laboratorio de Electrónica Básica constituye el fundamento esencial para la formación de técnicos e ingenieros de mantenimiento, reparación y diseño de sistemas electrónicos modernos. Cada tarjeta insertable tiene su propio controlador para Identificación Automática por medio de la unidad básica, y para guardar información a la configuración y para diagnóstico interno automático. Los temas y los módulos correspondientes a cada tema son los siguientes: Electricidad EB-3121 Circuitos de Corriente Continua I Ley de Ohm Fuentes de Tensión y corriente Leyes de Kirchhoff Resistencias variables Detección de averías EB-3122 Circuitos de Corriente Continua II Fuentes de Tensión y transferencia de Potencia Teorema de Thevenin Teorema de Norton Teorema de Superposición Detección de averías EB-3123 Circuitos de Corriente Alterna Resistencias con Corriente Alterna Circuitos RC Circuitos RL Circuitos RLC Detección de Averías. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Electromagnetismo EB-3124 Electromagnetismo Conceptos básicos Elementos Electromagnéticos El Transformador Detección de averías Electrónica Analógica Básica EB-3125 Fundamentos de Semiconductores I Diodos Diodo Zener Transistor bipolar Transistor FET y MOSFET Detección de averías EB-3126 Fundamentos de Semiconductores II Amplificador con Transistor bipolar Amplificador con Transistor FET Amplificador en Cascada Detección de averías EB-3128 Semiconductores Opto electrónicos El LED El LDR El Fototransistor El Fotodiodo El Indicador de 7 Segmentos Detección de averías Electrónica de Potencia Básica EB-3129 Circuitos y componentes de Control Eléctrico Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Electrónica Digital Básica EB-3151 Circuitos Lógicos I Compuertas Lógicas Leyes del Algebra de Boole Construcciones de funciones del Boole Construcciones de funciones con Compuertas NAND o NOR Mapas de Karnaugh Simplificando Mapas de Karnaugh Diseño de Circuito Lógico Detección de averías EB-3152 Circuitos Lógicos II Decodificador IC El uso de un Decodificador para construir una función El Multiplexador Implementando funciones con un Multiplexador Suma Binaria Resta Binaria Comparación Binaria Detección de averías EB-3153 Circuitos Lógicos Secuénciales Flip Flop S-R Flip Flop J-K Implementando un Registro Registros PISO y SIPO Procesado Serial Contador de Ondulación Contadores Sincrónicos Detección de averías EB-3154 Circuitos de ADC y DAC Circuitos con el 555 Conversión Digital a Análoga Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Implementando un ADC Detección de averías El Laboratorio de Electrónica Básica ofrece además una amplia variedad de temas de tecnología electrónica moderna, sistemas embebidos y FPGA para diversos programas de entrenamiento de técnicos e ingenieros electrónicos. El conocimiento adquirido prepara especialistas en electrónica para la reparación de equipos electrónicos, así como el diseño de complejos sistemas electrónicos modernos, que utilizan los componentes más avanzados. A continuación se definen los módulos correspondientes a estos temas: EB-3131 Amplificadores Operacionales I Amplificador Inversor Amplificador no-inversor Amplificadores Sumadores y diferenciadores Detección de averías EB-3132 Amplificadores Operacionales II Comparador y el Schmitt Trigger Integrador y Diferenciador Filtros activos Detección de averías EB-3137 Osciladores y Amplificadores Sintonizados Oscilador Puente de WIEN Oscilador de Onda Cuadrada Oscilador de Onda Triangular Osciladores Transistorizados Detección de averías EB-3155 Familias Lógicas Características de Compuertas Detección de averías Electrónica de Potencia EB-3127 Semiconductores Industriales Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación El SCR y GTO El DIAC y TRIAC El PUT Detección de averías EB-3135 Amplificadores de Potencia Amplificador de Potencia con Transistores Amplificador de Potencia Operacional Detección de averías EB-3136 Fuentes de Alimentación Rectificadores de Voltaje Aplanamiento de Voltaje Regulador de Voltaje Lineal Regulador Reductor por Conmutación Regulador Elevador por Conmutación Regulador Inversor por Conmutación Detección de averías EB-3141 Control de Motores I Control de Motor Paso a paso DAC y PEM El Motor y el generador Detección de averías EB-3142 Control de Motores II Sensores de Movimiento y Posición Bucle Abierto y Cerrado Detección de averías EB-3143 Conversión AC-DC y DC-AC Rectificadores de Voltaje Aplanamiento de Voltaje Regulador de Voltaje Lineal Regulador Reductor por Conmutación Regulador Elevador por Conmutación Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Convertidor DC-AC Detección de averías EB-3144 Control de Motor Trifásico Control de Motor Trifásico Detección de averías Sistemas Embebidos EB-3191 Introducción a Microprocesadores Modos de Direccionamiento Indicadores Lenguaje de Maquina y Ensamblador del 8051 Unidades de Entrada y Salida del 8051 Lenguaje de Ensamblador Estructura e Instrucciones del 8051 Decodificación de Direcciones y Memoria Detección de averías TPS-2095 Tarjeta de Control de Robot Características Técnicas La tarjeta de control está diseñada para estudiar y practicar los principios de los Microcontroladores, sistemas de Microcontroladores encajados, robótica y sistemas de aplicaciones en tiempo real y para ser usada como controlador de brazos robóticos neumático e hidráulico. Posee las características siguientes: La tarjeta es la más conveniente para el desarrollo de aplicaciones tales como brazo robótico, controladores de robot móvil, de máquinas CNC, de máquinas neumáticas e hidráulicas. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación La tarjeta se basa en el 8051, que es uno de los Microcontroladores más populares para aplicaciones de robótica y de control y que se puede utilizar tanto con microprocesador como microcontrolador. El 8051 es usado en los contadores de tiempo especialmente importantes para el control de motores, vigilancia y sistemas en tiempo real. También incluye puertos de E/S, líneas de interrupción y UART internos para comunicación serie. La tarjeta se conecta vía USB con una PC para programar y eliminar errores. Un adaptador de corriente externo o las baterías de 9-12V puede alimentar al regulador de voltaje interno de la tarjeta. 8 LEDs están conectados a los terminales de salida para indicación y para los ejercicios. El puerto del motor y los manejadores pueden conducir hasta 4 motores de CC. o 2 motores de CC. con 1 motor de paso o 2 motores de paso (hasta 1A por canal). La tarjeta incluye una salida DAC que puede controlar hasta 1A. La tarjeta tiene 8 canales ADC para la lectura de sensores y señales análogas. La tarjeta tiene 8 entradas digitales para sensores ON/OFF con interruptores DIP para simulación y práctica. Las líneas de E/S del puerto se pueden utilizar como líneas de entrada o de salida independientemente para usos digitales de E/S. La tarjeta incluye la EEPROM de 8 X 8K bits que se puede programar directamente por la tarjeta del monitor para aplicaciones del software del usuario. Para el robot móvil y aplicaciones de control de sistemas y la programación se hace en lenguaje ensamblador o en lenguaje C. Para usos neumáticos e hidráulicos la programación se puede hacer por el software especial de diagrama de escalera. TS-3098 Altera MAX Modulo de Entrenamiento y Desarrollo Descripción La TS-3098 es una tarjeta especial basada en el Altera 7128 PLD y está dirigida para lo siguiente: Una estación de trabajo para estudiar y trabajar con los dispositivos de Lógica Programables en general y con el Altera 7128 en particular, Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación incluyendo el uso y la activación de las diferentes herramientas de desarrollo. Una tarjeta Altera embutida para proyectos. Una tarjeta para practicar con sistemas digitales y componentes lógicos. La programación se realiza con el software Quantus II Características Técnicas El módulo de entrenamiento incluye lo siguiente: Interfaz de comunicación USB y cable para la computadora. Regulador de voltaje para la fuente de alimentación incluida de 9V/400 ma. 16 conmutadores. 8 LED. Dos unidades de 7-segmentos. Oscilador de cristal con divisor de frecuencia. Puntos de enlace para el PLD y los periféricos de la tarjeta. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación EB-3192 Introducción a microprocesadores de 32 bit y ARM Descripción: Sistemas Embebidos o microprocesadores ARM. La arquitectura ARM es ampliamente utilizado arquitectura de 32 bits del procesador RISC. De hecho, las cuentas de la familia ARM aproximadamente el 75% de todas las CPU 32-bits, y aproximadamente el 90% de todos los embebidos de 32-bit CPU. Licencias de ARM de varios núcleos de microprocesadores populares a muchos vendedores (ARM no tiene que vender los microprocesadores físicos). Originalmente ARM sinónimo de avanzadas máquinas RISC. EB-3193 Introducción microcontroladores) a microprocesadores de 16 bit y AVR (Atmel Atmel AVR ® ® 8 - y los microcontroladores de 32 bits ofrecen una combinación única de rendimiento, eficiencia energética y flexibilidad de diseño, además de una amplia gama de aplicaciones. EB-3198 Programmable logic device Esta nueva tarjeta demostrará un moderno CPLD programmable logic, el cual es muy popular en la industria por su costo bajo y bajo consumo de energía. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Programación de un CPLD: Definición del proyecto, ingreso del programa fuente en lenguaje de alto nivel, compilación del programa, definición del ¨Pinout¨, descarga del programa y grabado del CPLD. CPLD Un CPLD (del acrónimo inglés Complex Programmable Logic Device) es un dispositivo electrónico. Los CPLD extienden el concepto de un PLD (del acrónimo inglés Programmable Logic Device) a un mayor nivel de integración ya que permite implementar sistemas más eficaces, ya que utilizan menor espacio, mejoran la fiabilidad del diseño, y reducen costos. Un CPLD se forma con múltiples bloques lógicos, cada uno similar a un PLD. Los bloques lógicos se comunican entre sí utilizando una matriz programable de interconexiones, lo cual hace más eficiente el uso del silicio, conduciendo a una mejor eficiencia a menor costo. A continuación se explican brevemente las principales características de la arquitectura de un CPLD. Arquitectura Matriz de Interconexiones Programables Procesador de un CPLD de la marca Altera La matriz de interconexiones programables (PIM) permite unir los pines de entrada/salida a las entradas del bloque lógico, o las salidas del bloque lógico a las entradas de otro bloque lógico o inclusive a las entradas del mismo. La mayoría de los CPLDs usan una de dos configuraciones para esta matriz: interconexión mediante bloques o interconexión mediante multiplexores. El primero se basa en una matriz de filas y columnas con una celda programable de conexión en cada intersección. Al igual que en las GAL esta celda puede ser activada para conectar/desconectar la correspondiente fila y columna. Esta configuración permite una total interconexión entre las entradas y salidas del dispositivo o bloques lógicos. Sin embargo, estas ventajas provocan que Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación disminuya el rendimiento del dispositivo, además de aumentar el consumo de energía y el tamaño del componente. En la interconexión mediante multiplexores, existe un multiplexor por cada entrada al bloque lógico. Las vías de interconexión programables son conectadas a las entradas de un número de multiplexores por cada bloque lógico. Las líneas de selección de estos multiplexores son programadas para permitir que sea seleccionada únicamente una vía de la matriz de interconexión por cada multiplexor la cual se propagará hacia el bloque lógico. Cabe mencionar que no todas las vías son conectadas a las entradas de cada multiplexor. La rutabilidad se incrementa usando multiplexores de mayor tamaño, permitiendo que cualquier combinación de señales de la matriz de interconexión pueda ser enlazada hacia cualquier bloque lógico. Sin embargo, el uso de grandes multiplexores incrementa el tamaño del dispositivo y reduce su eficiencia. Bloques Lógicos Un bloque lógico es similar a un PLD, cada uno posee un bloque de compuertas AND y OR en forma de suma de productos, una configuración para la distribución de estas sumas de productos, y macroceldas. El tamaño del bloque lógico es una medida de la capacidad del CPLD, ya que de esto depende el tamaño de la función booleana que pueda ser implementada dentro del bloque. Los bloques lógicos usualmente tienen de 4 a 20 macroceldas. Macroceldas Las macroceldas de un CPLD son similares a las de un PLD. Estas también están provistas con registros, control de polaridad, y buffers para salidas en alta impedancia. Por lo general un CPLD tiene macroceldas de entrada/salida, macroceldas de entrada y macroceldas internas u ocultas (buried macrocells), en tanto que un 22V10 tiene solamente macroceldas de entrada/salida. Una macrocelda interna es similar a una macrocelda de entrada/salida, sólo que ésta no puede ser conectada directamente a un pin de salida. La salida de una macrocelda interna va directamente a la matriz de interconexión programable. Celda de entrada/salida La función de una celda de entrada/salida es permitir el paso de una señal hacia dentro o hacia el exterior del dispositivo. Dependiendo del fabricante y de la arquitectura del CPLD estas celdas pueden o no ser consideradas parte del bloque lógico. CPLD MAX 7000 La Arquitectura de un CPLD es la forma en que están organizados y dispuestos los elementos internos del dispositivo. Son similares al diagrama de bloque de un CPLD genérico, Teniendo la estructura clásica PAL/GAL que nos permite generar las funciones suma de producto. Su densidad varía entre dos bloques LAB y 16 Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación bloques LAB, dependiendo del dispositivo concreto de la serie que se vaya a utilizar. Un bloque LAB es similar a un SPLD y el tamaño de los encapsulados varían entre 44 y 208 pines, cabe mencionar que utilizan una tecnología de proceso basada en EEPROM. Las versiones que se pueden programar dentro del sistema utilizan la interfaz estándar JTAG. El software de programación y diseño utilizado es Quantum II de Altera. EB-3198 - FPGA Una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada mediante un lenguaje de descripción especializado. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip. Las FPGAs se utilizan en aplicaciones similares a los ASICs sin embargo son más lentas, tienen un mayor consumo de potencia y no pueden abarcar sistemas tan complejos como ellos. A pesar de esto, las FPGAs tienen las ventajas de ser reprogramables (lo que añade una enorme flexibilidad al flujo de diseño), sus costes de desarrollo y adquisición son mucho menores para pequeñas cantidades de dispositivos y el tiempo de desarrollo es también menor. Características Una jerarquía de interconexiones programables permite a los bloques lógicos de un FPGA ser interconectados según la necesidad del diseñador del sistema, algo parecido a un breadboard (es una placa de uso genérico reutilizable o semi permanente) programable. Estos bloques lógicos e interconexiones pueden ser programados después del proceso de manufactura por el usuario/diseñador, así que el FPGA puede desempeñar cualquier función lógica necesaria. Programación En la FPGA no se realiza programación tal cual como se realiza en otros dispositivos como DSP, CPLD o Microcontroladores. La FPGA tiene celdas que se Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación configuran con una función específica ya sea como memoria (FLIP-FLOP tipo D), como multiplexor o con una función lógica tipo AND, OR, XOR. La labor del "programador" es describir el hardware que tendrá la FPGA. Por consiguiente, la tarea del "programador" es definir la función lógica que realizará cada uno de los CLB, seleccionar el modo de trabajo de cada IOB e interconectarlos. Aplicaciones Cualquier circuito de aplicación específica puede ser implementado en un FPGA, siempre y cuando esta disponga de los recursos necesarios. Las aplicaciones donde más comúnmente se utilizan los FPGA incluyen a los DSP (procesamiento digital de señales), radio definido por software, sistemas aeroespaciales y de defensa, prototipos de ASICs, sistemas de imágenes para medicina, sistemas de visión para computadoras, reconocimiento de voz, bioinformática, emulación de hardware de computadora, entre otras. Cabe notar que su uso en otras áreas es cada vez mayor, sobre todo en aquellas aplicaciones que requieren un alto grado de paralelismo. Para el diseño y programación de las FPGA se utiliza el software Quantum II de Altera. Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Osciloscopios: Cada uno de los módulos EB-3000 cuenta con una función de osciloscopio para el análisis de las señales involucradas en cada circuito. De manera adicional el ambiente cuenta con 3 osciloscopios disponibles para el grupo de aprendices con las siguientes características Osciloscopio Digital de 2 canales a 100 MHz Pantalla LCD a color Opciones de procesamiento de señal CH1 - CH2, CH1 + CH2, FFT Mediciones automáticas de voltaje Vhi, Vlo, Vmax, Vmin, Vpp, Vavg, Vrms, Vamp Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación Medición de tiempo de respuesta Rise Time, Fall Time, Duty Cycle, Frequency, Period, Positive Width, Negative Width Conectividad USB Equipos de Computo El ambiente incluye doce computadores con las siguientes características: Procesador Intel Core i5-2400 Memoria RAM 2 Gigabytes SDRAM DDR3 a 1333Mhz Disco Dudo de 500 Gygabytes Monitor de 19” VGA/DVI Tarjeta de Video HD de 1GB Adaptador de Red 10/100/1000 Tarjeta de Red inalámbrica Unidad de DVD RW 16X Mouse Óptico Teclado en Español Software de conexión con los equipos del aula Propuesta de Fortalecimiento de la pertinencia y la calidad de los programas de formación