Subversion Repositories phr

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\title{Plataforma de hardware reconfigurable en diseño de sistemas electrónicos\\[1cm]\textsc{\LARGE Informe Final}}
\author{Luis A. Guanuco}
\date{Octubre 2013}
 
\addtolength{\textheight}{3cm}
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\addtolength{\textwidth}{1cm}
 
\begin{document}
\maketitle{}
\tableofcontents{}
 
\begin{abstract}  
  El presente informe describe la culminación del proyecto \textbf{\emph{Plataforma de hardware reconfigurable en diseño de sistemas electrónicos}}. En este documento se describirán los aciertos como los inconvenientes que se presentaron en el desarrollo.
En primer lugar se describirán las versiones finales del \textsl{hardware}, ya que esto atravesó varias etapas hasta lograr una versión que cubra las especificaciones. Luego se detalla el desarrollo de \textsl{software} que complementa el proyecto.
Debido a la decisión de utilizar \textbf{\textsl{Software} Libre}, no se ha tenido gastos en licencias. La totalidad de los recursos económicos se han invertido en materiales físicos (\textsl{hardware}).
Por último se realizarán las conclusiones, además se adjuntará documentación complementaria a fines de cumplir con los requerimientos en el proceso de evaluación.
\end{abstract}
 
\chapter{Hardware}
\label{chap:hw}
 
El \textsl{hardware} hace referencia a los recursos físicos (tangibles) de un sistema determinado. En nuestro caso, el \textsl{hardware} se representa en las \emph{placas electrónicas}, que a su vez están formadas por varios componentes electrónicos. Se podría nombrar las placas electrónicas desarrolladas como:
 
\begin{itemize}
\item Placa principal, \emph{PHR (Plataforma de Hardware Reconfigurable)}.
\item Placa de potencia, \emph{S3Power}.
\item Placa programadora, \emph{OOCDLink}.
\end{itemize}
 
El desarrollo de una placa sigue un proceso que se podría describir como la Figura \ref{fig:hw-ciclo}. Cada una de estas etapas se encuentra documentada y ha sido utilizada para el presente informe. La interacción entre las diferentes etapas se representa por flechas. De aquí se puede obtener otra información sobre la metodología de trabajo, que es el sentido en que se comparte información. Por ejemplo, la etapa denominada \emph{Especificaciones generales} proporciona información a las etapas de \emph{Diseño del esquemático} y la etapa \emph{Diseño de la placa electrónica}, y a su vez estas últimas ofrecen información a la primera para asegurar que determinados aspectos definidos inicialmente se estén cumpliendo. Se hace una breve descripción de las etapas.
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=1\textwidth]{images/hardware_ciclo_diseno}
  \caption{Proceso de diseño de las placas}
  \label{fig:hw-ciclo}
\end{figure}
 
\begin{description}
\item[Especificaciones generales] En el diseño de un circuito electrónico se deben determinar las pautas y características que éste debe cumplir. Por ejemplo, tecnología a utilizar, dimensiones, costo, etc.. 
\item[Diseño del esquemático] Con la utilización de herramientas de \textsl{software}, en este caso kiCAD\footnote{kiCAD es un entorno de \textsl{software} usado para el diseño de circuitos electrónicos. El paquete kiCAD posee licencia GNU GPL (licencia libre).}, se realiza el diseño del esquema de conexiones del circuito eléctrico. Aquí se representan los componentes electrónicos con símbolos y bloques en vez de sus verdaderas formas físicas, lo que facilita su interpretación.
\item[Diseño de la placa electrónica] Luego de obtener el circuito esquemático, se debe convertir dicho esquema en su equivalente real. Aquí sí se tiene un modelo de los dispositivos electrónicos reales (dimensiones y formas), con la ventaja que las conexiones eléctricas se encuentran ya definidas. Lo importante de esta etapa es definir la dimensión de la placa, como así también la disposición de cada componente electrónico.
\item[Selección de componentes electrónicos] En esta etapa se lleva un registro de los dispositivos electrónicos a utilizar. Para el caso de la generación del circuito esquemático, se determina que simbología utilizar en la representación de los componentes. Y en el caso de la generación de la placa, cada símbolo debe tener su representación física real. Gran parte de esta etapa se basa en documentación para generar la compra de los materiales necesarios.
\item[Armado y pruebas funcionales] El montaje de los componentes electrónicos sobre las placas requieren toda la documentación previa generadas en las etapas anteriores. Una vez que se logran ensamblar todos los dispositivos, se realizan pruebas sobre éstas, donde se registran e intentan resolver los inconvenientes que se presenten. Es esta etapa clave donde se define si el desarrollo ha sido exitoso o deben realizarse modificaciones, lo que implica volver al comienzo, desde la etapa \emph{Especificaciones generales}.
\item[Modificaciones] El desarrollador evalúa la ``gravedad'' de los inconvenientes presentados en la etapa de \emph{Armado y pruebas funcionales}. También se aclara que resulta fundamental la documentación en esta etapa ya que servirá para describir como se ha llegado a una versión funcional.
\item[Versión Final] En el caso ideal, luego de que se hayan realizado las pruebas correspondientes sobre la placa, y todas éstas hayan sido exitosas, la documentación final se referencia a dicha versión.
\end{description}
 
A continuación se realiza breve descripción de las diferentes placas que conforman el proyecto \emph{Plataforma de hardware reconfigurable en diseño de sistemas electrónicos}. Para los detalles técnicos de cada uno de estos desarrollos, se debe leer el \emph{Manual de Usuario}. Esta documentación, conjuntamente con las placas, son los materiales que se entregan al \emph{Laboratorio de Técnicas Digitales e Informáticas}\footnote{El Laboratorio de Técnicas Digitales e Informática (LTDI), es la institución beneficiaria del desarrollo. Este Laboratorio se encuentra en la Facultad Regional Córdoba -- Universidad Tecnológica Nacional}.
 
\section{Plataforma de Hardware Reconfigurable (PHR)}
\label{sec:phr}
 
La placa \emph{PHR (Plataforma de Hardware Reconfigurable)} es el desarrollo central del proyecto. Si bien, el uso de la \emph{PHR} necesita tanto la placa \emph{S3Power} como también la \emph{OOCDLink}, en la placa \emph{PHR} se dispone de todos los recursos de \textsl{hardware} (también denominados ``periféricos'') que serán utilizados por los estudiantes en el diseño de sistemas digitales.
 
\subsection{Recursos de \textsl{hardware}}
\label{sec:phr-recursos-hw}
 
Cuando se hace referencia a los \textbf{recursos de \textsl{hardware}}, en éstos tipos de sistemas electrónicos, se refiere a los dispositivos que pueden ser utilizados para su manipulación (tanto actuadores como transductores). En el caso de los actuadores, dispositivos de salida, permite visualizar u ofrecer información al exterior de la placa (por ejemplo: los diodos LED, Display, etc.). Los transductores, dispositivos de entrada, adquieren información para ser procesada o manipulada por la placa (por ejemplo: Llaves, pulsadores, etc.). A continuación se describe los periféricos con los que cuenta la \emph{Plataforma de Hardware Reconfigurable}.
 
\begin{itemize}
\item 8 indicadores LED (\textsl{Light-Emitting Diode}).
\item Display de 4 dígitos (cada dígito con 7 segmentos y 4 transistores que controla cada dígito).
\item 8 llaves de conmutación.
\item 4 pulsadores.
\item 3 diferentes entradas de reloj (utilizando un divisor de frecuencia).
\item 1 Oscilador de 50Mhz.
\item 1 conector con señales de entradas y salidas para usos generales.
\item 1 conector con señales de entradas y salidas para usos especiales.
\item Puerto de comunicación RS-232.
\end{itemize}
 
\subsection{Esquemático}
\label{sec:phr-dia-electrico}
Debido a la cantidad de dispositivos electrónicos que integran la \emph{PHR}, se jerarquiza el diagrama para su mejor comprensión. La Figura \ref{fig:phr-sch-top} representa el esquemático a un nivel general. Además se distinguen dos bloques denominados \textbf{Power} y \textbf{IOports}, ambos agrupan varios dispositivos que forman parte del proyecto en general. En la Figura \ref{fig:phr-sch-power} se encuentran los componentes de la etapa de potencia y en la Figura \ref{fig:phr-sch-ioports} se puede apreciar las conexiones eléctricas de gran parte de los periféricos con los que cuenta la \emph{PHR}.
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=0.95\textheight,angle=90]{images/PHRboard}  
  \caption{Esquemático TOP de la placa \emph{PHR}.}
  \label{fig:phr-sch-top}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=0.95\textheight,angle=90]{images/PHRboard-Power}  
  \caption{Bloque interno al diagrama TOP, denominado ``power'' debido a que contiene la conexión con la placa \emph{S3power} y capacitores que evitan interferencias eléctricas.}
  \label{fig:phr-sch-power}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=0.95\textheight,angle=90]{images/PHRboard-IOports}  
  \caption{Bloque con todos los periféricos. Aquí se observa la ventaja del diseño jerarquizado, pues si se tendrían todos estos componentes junto a los de la Figura \ref{fig:phr-sch-top} y \ref{fig:phr-sch-power}, presentaría inconvenientes para su entendimiento.}
  \label{fig:phr-sch-ioports}
\end{figure}
 
\subsection{\textsl{Printed Circuit Board} (PCB)}
\label{sec:phr-pcb}
 
La denominación \textbf{PCB}, de sus siglas en inglés (\textsl{Printed Circuit Board}), hace referencia a la placa donde serán montados los componentes electrónicos. En base a la Figura \ref{fig:hw-ciclo}, la obtención del \emph{PCB} es una consecuencia de seguir una metodología de trabajo donde previamente se ha verificado la funcionalidad del esquema electrónico. Cada placa tiene diferentes dimensiones, características tecnológicas y de fabricación.
En la Figura \ref{fig:phr-pcb-pcbnew-top} se puede ver la distribución de los componentes. Quizá las Figuras \ref{fig:phr-pcb-3d-1} y \ref{fig:phr-pcb-3d-2} resulten más relevante pues es una representación en 3D de la placa. En las Figuras \ref{fig:phr-pcb-foto-1} a la \ref{fig:phr-pcb-foto-2} se muestra fotografías de la placa \emph{PHR} final. Una mayor descripción del proceso de obtención de estas placas se puede obtener del \emph{Manual de Usuario}, documento adjunto a este informe.
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics{images/PHRboard_layers}  
  \caption{Distribución de los componentes en la placa.}
  \label{fig:phr-pcb-pcbnew-top}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=12cm]{images/PHRboard_3d_1}  
  \caption{Modelo en 3D de la placa \emph{PHR} (Perspectiva 1).}
  \label{fig:phr-pcb-3d-1}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=12cm]{images/PHRboard_3d_2}  
  \caption{Modelo en 3D de la placa \emph{PHR} (Perspectiva 2).}
  \label{fig:phr-pcb-3d-2}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=12cm]{images/DSCN4528}  
  \caption{Fotografía de la placa \emph{PHR} (Perspectiva 1).}
  \label{fig:phr-pcb-foto-1}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=12cm]{images/DSCN4529}  
  \caption{Fotografía de la placa \emph{PHR} (Perspectiva 2).}
  \label{fig:phr-pcb-foto-2}
\end{figure}
 
\clearpage{}
\section{S3Power}
\label{sec:s3power}
 
La placa \emph{PHR} no tiene un circuito de alimentación, debido al elevado consumo de energía en su funcionamiento pleno, se utiliza otra placa que sea capaz de ofrecer potencia a todos los dispositivos electrónicos. La placa \emph{S3Power} fue diseñada por el grupo UTIC (INTI)\footnote{La Unidad Técnica de Instrumentación y control (UTIC) es uno de los sectores del Centro de Electrónica e Informática del INTI - Instituto Nacional de Tecnología Industrial}. Esta placa está basada en un circuito integrado (chip) capaz de abastecer los máximos niveles de consumo de energía al dispositivo central de la placa \emph{PHR}. Como un ejemplo de las ventajas de la utilización de \textbf{\textsl{hardware} y \textsl{software} libre}, el desarrollo realizado por el UTIC fue liberado a la comunidad con una licencia libre, lo que implica la posibilidad de que cualquier pueda hacer uso de este desarrollo como realizarle modificaciones personalizadas, etc..
 
\subsection{Esquemático y PCB}
\label{sec:s3power-sch-pcb}
 
El esquema de conexiones de la placa se puede ver en la Figura \ref{fig:s3power-sch}. En la Figura \ref{fig:s3power-pcb-layers} se observa la placa y la disposición de los componentes. En las Figuras \ref{fig:s3power-pcb-3d-1} y \ref{fig:s3power-pcb-3d-2} se tiene los modelo en 3D y por último tenemos las fotografías de las placas terminadas en las Figuras \ref{fig:s3power-foto-1} y \ref{fig:s3power-foto-2}.
 
\begin{figure}[ht]
  \centering
  \includegraphics[width=0.6\textheight,angle=90]{images/S3Proto_Power}  
  \caption{Esquemático de la placa \emph{S3Power}.}
  \label{fig:s3power-sch}
\end{figure}
 
\begin{figure}[ht]
  \centering
  \includegraphics[width=10cm]{images/S3Power_layers}  
  \caption{Distribución de los componentes en la placa.}
  \label{fig:s3power-pcb-layers}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering  
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/s3power_pcb_3d_1}  
    \caption{Perspectiva 1.}
    \label{fig:s3power-pcb-3d-1}
  \end{subfigure}
  % ---
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering  
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/s3power_pcb_3d_2}  
    \caption{Perspectiva 2.}
    \label{fig:s3power-pcb-3d-2}
  \end{subfigure}
  \caption{Modelo en 3D de la placa \emph{S3Power}.}
  \label{fig:s3power-pcb-3d}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/s3power_foto_1}
    \caption{Perspectiva 1.}
    \label{fig:s3power-foto-1}
  \end{subfigure}
  % --
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/s3power_foto_2}
    \caption{Perspectiva 2.}
    \label{fig:s3power-foto-2}
  \end{subfigure}
  \caption{Fotografías de la placa \emph{S3Power}.}
  \label{fig:s3power-foto}
\end{figure}
 
\clearpage{}
\section{OOCDLink}
\label{sec:oocdlink}
 
Gran parte del desarrollo del proyecto se basa en el diseño y armado de placas electrónicas (\textsl{hardware}) en donde los estudiantes puedan embeber los diseños digitales que realicen mediante la utilización de una herramienta de \textsl{software}. Para lograr esto se necesita un interfaz que interaccione entre el \textsl{hardware} y el \textsl{software}, la placa \emph{OOCDLink} cumple esta función. La placa \emph{OOCDLink} establece una conexión entre la PC (mediante el puerto USB) y el puerto de programación de la placa \emph{PHR}, a través del protocolo JTAG\footnote{JTAG, un acrónimo para \textsl{Joint Test Action Group}, es el nombre común utilizado para la norma IEEE 1149.1 titulada \textsl{Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture} para \textsl{test access ports} utilizada para testear PCBs utilizando escaneo de límites.}.
 
\subsection{Esquemático y PCB}
\label{sec:oocdlink-sch-pcb}
 
En la Figura \ref{fig:oocdlink-sch} se puede ver el circuito esquemático de la plac \emph{OOCDLink}. En la Figura \ref{fig:oocdlik-pcb-layers} se muestra el PCB con la distribución de los componentes. En las Figuras \ref{fig:oocdlink-pcb-3d-1} y \ref{fig:oocdlink-pcb-3d-2} se tienen los modelos en 3D de la placa. La versión final de la placa, con los componentes montados, se puede ver en las Figuras \ref{fig:oocdlink-foto-1} y \ref{fig:oocdlink-foto-2}.
 
\begin{figure}[h]
  \centering
  \includegraphics[width=0.6\textheight,angle=90]{images/OOCD_placa}  
  \caption{Esquemático de la placa \emph{OOCDLink}.}
  \label{fig:oocdlink-sch}
\end{figure}
 
\begin{figure}[ht]
  \centering
  \includegraphics[width=8cm]{images/OOCDLink-pcb-layers}  
  \caption{Distribución de los componentes en la placa \emph{OOCDLink}.}
  \label{fig:oocdlik-pcb-layers}
\end{figure}
 
\begin{figure}[hb]
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/OOCDLinks-pcb-3d-1}
    \caption{Perspectiva 1.}
    \label{fig:oocdlink-pcb-3d-1}
  \end{subfigure}
  % --
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/OOCDLinks-pcb-3d-2}
    \caption{Perspectiva 2.}
    \label{fig:oocdlink-pcb-3d-2}
  \end{subfigure}
  \caption{Modelo en 3D de la placa \emph{OOCDLink}.}
  \label{fig:oocdlink-pcb-3d}
\end{figure}
 
\begin{figure}[h]
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/OOCD_placa-foto-1}
    \caption{Perspectiva 1.}
    \label{fig:oocdlink-foto-1}
  \end{subfigure}
  % --
  \begin{subfigure}{0.5\textwidth}
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{images/OOCD_placa-foto-2}
    \caption{Perspectiva 2.}
    \label{fig:oocdlink-foto-2}
  \end{subfigure}
  \caption{Fotografías de la placa \emph{OOCDLink}.}
  \label{fig:oocdlink-foto}
\end{figure}
 
\chapter{Software}
 
 
\end{document}