Ivan Dario posso Diana K. Avella ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS

Transcripción

1 1 Diseño de una unidad de control para una red de informadores electronicos con algoritmos de multiples efectos de visualizacion incorporando CPLD y FPGAs para la empresa Ciel Ingenieria Ltda. Ivan Dario posso Diana K. Avella ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS I. Introducción 2 I-A. I-B. Características del mercado que hacen imperativo el cambio tecnológico Algunas ventajas del uso de VHDL para la descripción de hardware II. 2 JUSTIFICACION III. Marco Teorico. 2 III-A. CPLD (Complex Programmable Logic Device) III-A1. Matriz de Interconexiones Programables III-A2. Bloques Lógicos III-A3. Macroceldas III-A4. Celda de entrada/salida... 4 III-B. FPGAs III-B1. Caracteristicas IV. Trayectoria y capacidad de investigacion 4 V. Producto que se va a trabajar en el proyecto V-A. Caracteristicas V-B. Aplicaciones 1. Procesador de un CPLD de la marca Altera... 3 VI. OBJETIVOS VI-A. Objetivo general VI-B. Objetivos específicos Celdas Lógicas de una FPGA Referencias 3. FPGA de Altera

2 2 Abstract El siguiente proyecto plantea el diseño y la descripción de un unidad de control implementada a través del lenguaje de descripción de Hardware VHDL, para administrar la correcta visualización de datos en una red de informadores modulares interconectados mediante el protocolo RS48, teniendo como margen de acción los requerimientos de la empresa beneficiaria CIEL ingeniería, la cual desea una solución técnica de modularidad siendo esta una opción importante para la escalabilidad del producto, además de ahorrar trabajo y tiempo en su desarrollo.. Las limitantes en la tecnología hacen difícil implementar nuevas funcionalidades a los productos, implicando en la mayoría de los casos un nuevo desarrollo con los costos y tiempos que esto representa. Algunos elementos constitutivos de los productos desarrollados son sensibles a la tecnología empleada en el desarrollo, por ejemplo, el área del circuito impreso se reduce ampliamente al trabajar con tecnología de montaje superficial, o con el uso de dispositivos con amplia escala de integración como los CPLD y los FPGA.[3] I. INTRODUCCIÓN El desarrollo de productos en las industrias electrónicas de Bogotá - Región está fuertemente apoyado en tecnologías que son maduras, como los microprocesadores y microcontroladores, que muestran una estabilidad en la cantidad de patentes y artículos tecnológicos registrados en los últimos dos años, lo que indica que es una tecnología que dejará de dominar el mercado en el mediano plazo. La gran mayoría de empresas electrónicas desarrollan sus productos con tecnologías que llevan varias décadas en el mercado y cuyo desempeño no llena las expectativas de los clientes del mercado mundial ni les va permitir a estas empresas competir internacionalmente; esto se debe en gran parte a que ni los gerentes ni los desarrolladores de la mayoría de las empresas del sector electrónico de Bogotá - Región están familiarizados con las nuevas tendencias de diseño y por lo tanto no las incluyen en sus productos. La industria moderna que desarrolla sus productos basados en dispositivos electrónicos de última tecnología, permite ofrecer al consumidor un producto con características de desempeño muy altas, como son alta velocidad de procesamiento, escala de integración y arquitectura reconfigurable acorde a la aplicación y es en este punto donde la tecnología madura o convencional anteriormente mencionada, no cubre las necesidades funcionales que permiten conseguir dicho desempeño; la no implementación de estas nuevas tecnologías representa para la empresa colombiana un estancamiento que puede acarrear salir del mercado productivo. I-A. Características del mercado que hacen imperativo el cambio tecnológico. La vigencia de los productos en el mercado electrónico está condicionada a los tiempos de vida de la tecnología sobre la cual se desarrolle. Las exigencias cada vez mayores del cliente sobre el producto y la cantidad de servicios que un dispositivo electrónico puede ofrecer, exigen al desarrollador menos tiempo desde el planteamiento de la idea hasta el desarrollo del prototipo; en consecuencia las tecnologías utilizadas para el desarrollo deben ser lo más flexibles y completas posibles para ofrecer solución a una amplia variedad de problemas. I-B. Algunas ventajas del uso de VHDL para la descripción de hardware Permite diseñar, modelar, y comprobar un sistema desde un alto nivel de abstracción bajando hasta el nivel de definición estructural de puertas. Circuitos descritos utilizando VHDL, siguiendo unas guías para síntesis, pueden ser utilizados por herramientas de síntesis para crear implementaciones de diseños a nivel de puertas. Al estar basado en un estándar (IEEE Std ) los ingenieros de toda la industria de diseño pueden usar este lenguaje para minimizar errores de comunicación y problemas de compatibilidad. Permite diseño Top-Down, esto es, permite describir (modelado) el comportamiento de los bloques de alto nivel analizándolos (simulación) y refinar la funcionalidad de alto nivel requerida antes de llegar a niveles más bajos de abstracción de la implementación del diseño.[9] Permite dividir o descomponer un diseño hardware y su descripción VHDL en unidades más pequeñas (modularidad). II. JUSTIFICACION La velocidad de procesamiento de información y la escalabilidad de los productos de la industria electrónica son algunas de las necesidades presentes en el sector industrial, las empresas colombianas de electrónica desarrollan actualmente productos con tecnologías y/o dispositivos maduros los cuales logrando apenas colmar las necesidades de los clientes. Todo esto debido al desconocimiento de las nuevas tendencias de diseño, tecnologías y dispositivos. III. MARCO TEORICO. El avance de los Dispositivos Lógicos Programables Complejos (CPLD) y los Arreglos de Compuertas Lógicas programables en Campo (FPGA) dentro de la industria de los semiconductores, muestra cada día una marcada tendencia de estas tecnologías a transformarse en la base de las soluciones técnicas, tecnológicas y de mercado, que brindan gran parte

3 3 de las empresas que componen el sector electro electrónico (Colombiano, aún incipiente; y extranjero, ya maduro) a las múltiples necesidades industriales y de consumo presentes en los actuales entornos de globalización y desarrollo.[6] Una primera tendencia que se marca es la técnica full custom design (Diseño totalmente a la medida), que consiste en desarrollar un circuito para un aplicación específica (ASIC) mediante la integración de transistor por transistor al interior de un integrado. En su fabricación se siguen los pasos tradicionales de diseño: preparación de la oblea o base, el crecimiento epitaxial, la difusión de impurezas, la implantación de iones, la oxidación, la fotolitografía, la metalización y la limpieza química. Figura 1. Procesador de un CPLD de la marca Altera La segunda tendencia que se observa es el diseño con lógica programable para desarrollar los ASIC y dependiendo de la demanda trasladar este diseño a tecnologías semicustom design. Éstas consisten en la utilización de celdas programables preestablecidas e insertadas dentro de un circuito integrado. Con base a esto surge la familia de dispositivos lógicos programables (PLD), cuyo nivel de densidad de integración ha venido evolucionando a través del tiempo, desde los PAL (Arreglos Lógicos Programables) hasta llegar al uso de los mencionados CPLD y FPGA, que dada su versatilidad permiten la implementación de ASIC de forma mucho más fácil y económica, para beneficio de los ingenieros encargados de integrar sistemas.[] III-A1. Matriz de Interconexiones Programables: La matriz de interconexiones programables (PIM) permiten 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. III-A. CPLD (Complex Programmable Logic Device) III-A2. Bloques Lógicos : Un bloque lógico es similar a un PLD, cada uno pose 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.[2] Estas estructuras extienden el concepto de de PLD a un nivel de integración superior; esto es, se dispone de mayor número de puertas y de entradas/salidas en un circuito programable (con lo que se disminuye el tamaño del diseño, el consumo y el precio). En vez de hacer estos circuitos con mayor número de términos producto por macrocelda, o de mayor número de entradas/salidas. 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[8] III-A3. 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 esta no puede ser conectada directamente a un pin de salida. La salida de una macrocelda interna va directamente a la matriz de interconexión programable.

4 4 necesaria.[4] Figura 2. Celdas Lógicas de una FPGA III-A4. 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. III-B. FPGAs Las FPGA s (Field Programmable Gate Array) Son dispositivos lógicos de propósito general programable por los usuarios, compuesto de bloques lógicos comunicados por conexiones programables. El tamaño, estructura, número de bloques y la cantidad y conectividad de las conexiones varian en las distintas arquitecturas[1]. Es un circuito integrado que contienen celdas lógicas idénticas (64 hasta ) que se puede ver como componentes estándar Las celdas lógicas se interconectan por medio de una matriz de cables y switches programables[7] Figura 3. FPGA de Altera III-B1. Caracteristicas: 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 Una tendencia reciente ha sido combinar los bloques lógicos e interconexiones de los FPGA con microprocesadores y periféricos relacionados para formar un «Sistema programable en un chip». Ejemplo de tales tecnologías híbridas pueden ser encontradas en los dispositivos Virtex-II PRO y Virtex-4 de Xilinx, los cuales incluyen uno o más procesadores PowerPC embebidos junto con la lógica del FPGA. El FPSLIC de Atmel es otro dispositivo similar, el cual usa un procesador AVR en combinación con la arquitectura lógica programable de Atmel. Otra alternativa es hacer uso de núcleos de procesadores implementados haciendo uso de la lógica del FPGA. Esos núcleos incluyen los procesadores MicroBlaze y PicoBlaze de Xlinx, Nios y Nios II de Altera, y los procesadores de código abierto LatticeMicro32 y LatticeMicro8.[9] Muchos FPGA modernos soportan la reconfiguración parcial del sistema, permitiendo que una parte del diseño sea reprogramada, mientras las demás partes siguen funcionando. Este es el principio de la idea de la «computación reconfigurable», o los «sistemas reconfigurables». IV. TRAYECTORIA Y CAPACIDAD DE INVESTIGACION La industria electro electrónica de Bogotá y Cundinamarca es la mas antigua del país pues tiene cerca de cincuenta años de existencia y su desarrollo ha pasado por etapas de crecimiento relativamente acelerado, de freno e incluso de retroceso. A pesar de la ardua competencia internacional que es típica de los mercados de tecnología que suelen ser dominados por las empresas multinacionales, del impacto que generó la apertura económica de comienzos de los noventa que llevó a la quiebra a un elevado número de pequeñas y medianas empresas y de la crisis económica de finales de los noventa que causó una desindustrialización del país con la desaparición de miles de pequeñas empresas, la industria electro electrónica de Bogotá Región que esta compuesta en lo fundamental de pequeñas unidades de producción, se las ha arreglado para supervivir, crecer moderadamente e incursionar en nuevas áreas de la tecnología. Este importante conjunto de empresas, creadoras de empleo y generadoras de desarrollo económico, tradicionalmente ha trabajado con base en el esfuerzo individual de cada compañía, desaprovechando las ventajas y beneficios del trabajo asociativo que permite crear las sinergias y ventajas competitivas del trabajo en red. La ausencia de articulación y de asociatividad en la industria electro electrónica de Bogotá y Cundinamarca es el principal problema que afronta este sector de la producción regional, al punto que la mayor parte de los problemas que plantea su desarrollo futuro, se derivan el aislamiento en que trabajan las compañías. El desarrollo del Clúster de la Industria Electro Electrónica

5 de Bogotá y Cundinamarca brinda a las empresas de la región la oportunidad de superar en lo fundamental este problema y echar sólidas bases para investigar alternativas y opciones de mejoramiento productivo, desarrollar nuevos productos, producir bienes y servicios, comercializar, exportar y en general realizar todos los negocios del conjunto de empresas integrantes en red, esto es asociativamente a fin de incrementar substancialmente el número de actividades, hacer negocios más grandes, mejorar la posición negociadora y en general obtener todos los benéficos del trabajo colectivo y articulado. VI-B. Objetivos específicos Diseñar y describir la arquitectura de la unidad de control basándose en los requerimientos hechos por la empresa beneficiaria. Diseño y desarrollo del protocolo de comunicaciones, requerido para la recolección y envío de datos, permitiendo la interconexión de varios informadores con un mismo ordenador y así configurar el mensaje a visualizar. Participar en el diseño y la implementación de protocolos de pruebas al producto los cuales permitan medir su desempeño y validar su funcionamiento, valiéndose de sistemas de simulación e implementaciones de hardware. V. PRODUCTO QUE SE VA A TRABAJAR EN EL PROYECTO Informador electrónico con tecnología en LEDs para uso exterior V-A. Caracteristicas Resolución: 80x16 píxeles Separación entre píxeles (pitch): 1. cms. Colores: Rojo, verde y ámbar. Variables a generar: Temperatura ambiente, hora y fecha. Efectos para el texto: Estático, desplazamiento horizontal, desplazamiento vertical, parpadeo, cortina hacia arriba, cortina hacia abajo, cortina a la derecha, y nieve. -A lineación del texto: Justificado a la izquierda y centrado. Tamaños de letra: x, 7x6, 8x6, 7x7, 7x8 y 1x8. - Tipos de mensajes: Mensajes alfanuméricos, gráficas predeterminadas, temperatura, hora y fecha. Dimensiones: 1.30x0.26x0.12 cms. REFERENCIAS [1] Richard H. Barnett, Larry O Cull, and Sarah Cox. Embedded C programming and the microchip PIC. Cengage Learning, [2] Robert K. Dueck. Digital design with CPLD applications and VHDL. Cengage Learning, 200. [3] Floyd and Floyd Thomas L. Digital Fundamentals. Pearson Education, [4] Dhananjay V. Gadre. Programming and customizing the AVR microcontroller. McGraw-Hill, September [] Scott Hauck and AndrÃ c DeHon. Reconfigurable computing. Morgan Kaufmann, [6] Hearst Magazines. Popular Mechanics. Hearst Magazines, April [7] Clive Maxfield. The design warrior s guide to FPGAs. Elsevier, April [8] Uwe Meyer-Baese. Digital signal processing with field programmable gate arrays. Springer, [9] Bob Zeidman. Designing with FPGAs and CPLDs. Focal Press, September V-B. Aplicaciones Acceso a áreas estériles y de producción. En laboratorios químicos y farmacéuticos. Quirófanos Laboratorios (L) o (S) Sistemas presurizados de aire acondicionado (L) Joyerías (S) Oficinas de seguridad, tesorería, Áreas restringidas (S) VI-A. VI. Objetivo general OBJETIVOS Diseñar y desarrollar una unidad de control para una red modular de informadores electrónicos interconectados mediante protocolo RS48. Utilizando lenguaje de descripción de hardware VHDL.