UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad Conocimiento Servicio INTERFAZ USB PARA EL CONTROL DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y RECEPCIÓN DE

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad Conocimiento Servicio INTERFAZ USB PARA EL CONTROL DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y RECEPCIÓN DE DATOS EN UNA COMPUTADORA CENTRO DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA S.C. Reporte de Estadía para obtener el Título de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización JUAN GERARDO TREJO SÁNCHEZ Santiago de Querétaro, Qro. Marzo de

2 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad Conocimiento Servicio INTERFAZ USB PARA EL CONTROL DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y RECEPCIÓN DE DATOS EN UNA COMPUTADORA CENTRO DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA S.C. Reporte de Estadía para obtener el Título de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización ASESOR DE LA EMPRESA Dr. JOSÉ GUADALUPE SUÁREZ ROMERO ASESOR DE LA ESCUELA M. en C. JORGE CARLOS GUAS NORIEGA ALUMNO JUAN GERARDO TREJO SÁNCHEZ Santiago de Querétaro, Qro. Marzo de

3 AGRADECIMIENTOS Doy gracias a la Universidad Tecnológica de Querétaro por darme la oportunidad de desarrollarme académicamente en sus instalaciones, siendo un honor ser parte de sus egresados. Del mismo modo agradezco a todos mis profesores por compartirme sus conocimientos y sus habilidades. A mi familia le doy las gracias por estar siempre a mi lado apoyándome moral y académicamente en todo momento. Les dedico este logro a mis padres y hermanos, ya que gracias a ellos he logrado ser Técnico Superior Universitario. Finalmente agradezco al CENIT S.C. por darme la oportunidad de realizar mi periodo de estadía en sus instalaciones, y por compartir sus conocimientos para ayudarme a ser un mejor técnico. 3

4 ÍNDICE AGRADECIMIENTOS ÍNDICE INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I. ANTECEDENTES GENERALES DE LA EMPRESA Pág. 1.1 Antecedentes de la empresa Misión Visión Política de calidad Organización Campo de desarrollo nacional Proceso general de producción...14 CAPÍTULO II. EL PROYECTO 2.1 Antecedentes Definición del proyecto Objetivo Alcance Plan de trabajo 19 CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO 3.1 Protocolo USB Proceso de comunicación vía USB Aplicación de alto nivel en LabView Compilador PICC de CCS

5 3.5 Hoja de datos PIC CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO 4.1 Planeación del proyecto Hardware para tarjeta de adquisición de datos Firmware (programa para el microcontrolador) Aplicación de alto nivel en LabView Pruebas y ajustes.69 CAPÍTULO V. ACTIVIDADES DIVERSAS 5.1 Mantenimiento a equipo de medición y a equipo de cómputo Apoyo administrativo CAPÍTULO VI. EVALUACIÓN ECONÓMICA Y RESULTADOS OBTENIDOS 6.1 Evaluación económica Resultados obtenidos..76 CONCLUSIONES Conclusiones BIBLIOGRAFÍA Bibliografía y/o páginas consultadas en Internet. 81 5

6 GLOSARIO Glosario ANEXOS Anexo A 86 Anexo B...87 Anexo C

7 INTRODUCCIÓN El presente reporte contiene las actividades realizadas en torno a la creación de una interface USB para el control de una fuente de alimentación y recepción de datos en una computadora; durante el periodo de estadía Septiembre-Diciembre del 2010, que es requisito indispensable para culminar los estudios y el proceso de titulación del TSU en la UTEQ. Al comienzo de este reporte se dan a conocer los antecedentes de la empresa, en donde se hace mención de las políticas de calidad, su organización y procesos de producción mediante los cuales opera. En el segundo capítulo se plantean los antecedentes del proyecto, mencionando las necesidades por las cuales surge el proyecto, así como su definición, objetivo, alcance y una propuesta del plan de trabajo, donde se explica la manera en la que se llevarán a cabo todas las actividades referentes al proyecto. Este proyecto tiene como referencia un marco teórico en donde se fundamenta el protocolo de comunicación, funcionamiento de diferentes dispositivos y lógicas de control con las cuales opera. El capítulo cuarto trata sobre la evolución del proyecto, explicando de manera minuciosa todas las partes que lo componen, y las operaciones realizadas para desarrollarlo. Dentro del periodo de estadía se llevaron a cabo actividades ajenas a la elaboración del proyecto, las cuales se denominaron actividades diversas. Éstas se encuentran resumidas en el capítulo 5. Por último se emiten una serie de conclusiones que resumen los costos y resultados obtenidos, dando a conocer el éxito del proyecto. 7

8 CAPÍTULO I ANTECEDENTES GENERALES DE LA EMPRESA 8

9 1.1 Antecedentes de la empresa 1 CENIT S.C. es una empresa del sector privado cuyas siglas significan, Centro de Ingeniería y Tecnología S.C. Inicio sus operaciones en el año 2000, brindando apoyo a empresas con capacitación, entre las cuales destacan: Mabe, Tremec, Cardanes y Spicer. En ese año la empresa se llamaba Control Ingeniería y Desarrollo Industrial; posteriormente se detectó la necesidad de desarrollar instrumentos y equipo para evitar la importación de instrumentos. En el 2006 se ve la necesidad de crear laboratorios de óptica ya que no existían en ese momento laboratorios en el país. En el 2007 se lleva a cabo la acreditación del laboratorio por la ema, y se cambia la razón social de la empresa por cenit Centro de Ingeniería y Tecnología S.C. Y actualmente se están acreditando los laboratorios de espectrofotometría y respuesta espectral. 1.2 Misión Proporcionar conocimiento técnico y científico a través de capacitación y desarrollo de proyectos de investigación, para incrementar la competitividad y competencia de las empresas. 1.3 Visión Ser una empresa líder mundial con base científico-tecnológica que asista a las empresas para mejorar, crear y desarrollar sus procesos, productos y servicios. 1.-Informacion tomada de la página web de la empresa 9

10 1.4 Política de calidad La creatividad es parte fundamental de la innovación. Aceptamos la globalización como una realidad de nuestro tiempo lo que nos compromete a esforzarnos para que nuestro trabajo este al nivel de cualquier centro de ingeniería mundial. 1.5 Organización La organización de la empresa está representada en el diagrama de la figura 1.1. Figura 1.1 Organigrama de la empresa. 10

11 Dirección General: Responsable general del centro de ingeniería. Gerente de calidad: Verifica que los parámetros de calibración se encuentren dentro de las normas especificadas, así como la entrega al cliente bajo los parámetros establecidos. Gerencia Administrativa: Responsable del funcionamiento interno. Gerencia de investigación y desarrollo: Área responsable de llevar a cabo los proyectos e investigaciones. Gerencia de metrología: Responsable general de los laboratorios. Responsable de laboratorio de espectrofotometría: Encargado de avalar las calibraciones que son realizadas dentro del laboratorio de espectrofotometría. Signatario del laboratorio de espectrofotometría: Persona encargada de realizar la calibración de instrumentos dentro del laboratorio de espectrofotometría. Responsable del laboratorio de respuesta espectral: Encargado de avalar las calibraciones que son realizadas dentro del laboratorio de respuesta espectral. Signatario del laboratorio de respuesta espectral: Persona encargada de realizar la calibración de instrumentos dentro del laboratorio de respuesta espectral. Responsable del laboratorio de fotometría: Encargado de avalar las calibraciones que son realizadas dentro del laboratorio de fotometría. Signatario del laboratorio de fotometría: Persona encargada de realizar la calibración de instrumentos dentro del laboratorio de fotometría. 1.6 Campo de desarrollo nacional CENIT S.C. tiene un campo de desarrollo a nivel nacional especializado en los siguientes rubros. Desarrollo de capital humano Ofrece una amplia gama de servicios (cursos y asesorías) que permiten fortalecer y desarrollar el recurso más importante de su organización, el Capital Humano. 11

12 Desarrollo tecnológico El desarrollo tecnológico está orientado a la optimización de productos y procesos. Entre sus logros están: Higrotermobarómetro Modelo para eje de transmisión Pirómetro Colorímetro Analizador de estados de polarización visible Entre otros Líneas de trabajo. Sistemas de control automático. Electrónica Instrumentación Interfaces Óptica. Sistemas de instrumentación ópticos Reconocimiento de imágenes Metrología dimensional óptico Fotometría y Radiometría Láseres Matemáticas industriales. Modelado Identificación de sistemas Probabilidad y procesos estocásticos Optimización 12

13 Investigación La investigación está enfocada a resolver problemas de interés para el sector productivo. Campos de investigación: Modelos de actividad neuronal. Pirometría. Identificación de sistemas. Optimización. Metrología El laboratorio de Iluminometría del CENIT.S.C ofrece servicios de calibración a fotómetros. Alcance de 0 a luxes Incertidumbre de 2.0% No. de acreditación ante la Entidad Mexicana de Acreditación (EMA) OP Proceso general de producción El proceso general de producción se refiere al esquema que sigue la empresa para operar en sus distintas áreas de servicio, con el orden exigido por una buena administración en la figura 1.2 se muestra este proceso. 13

14 Figura 1.2 Proceso general de producción del CENIT. Contacto con el cliente: Se hace el contacto con el cliente, siendo en la mayoría de los casos el cliente quien pide el servicio. Teniendo dos vertientes de servicio: calibración y capacitación. Servicio (calibración de instrumento): El cliente solicita el servicio de calibración de instrumento. 14

15 Revisión de instrumento a calibrar: Se recibe el instrumento para realizar un estudio y determinar el número de mediciones necesarias para calibrarlo. Cotización: Se le informa al cliente el costo del servicio para que sea autorizado el mismo. Calibración: Se realiza la calibración del instrumento. Entrega al cliente: Se hace la entrega del instrumento calibrado, anexando el certificado de calibración. Capacitación: El cliente solicita el servicio de capacitación para recursos humanos. Tema de capacitación: El cliente informa el tema que requiere. Características: El cliente informa el número de horas que desea del servicio, el lugar fecha y la hora donde se impartirá la capacitación. Se presenta el servicio: La capacitación es impartida por un elemento del CENIT, en el lugar fecha y hora establecidas. Cobranza: Se remunera el servicio prestado por el CENIT. Tema del proyecto: El cliente informa el tema al que hará referencia el proyecto. Características (proyecto): El cliente informa los objetivos que debe alcanzar el proyecto, sus alcances, y las necesidades que debe cubrir este. Entrega al cliente (proyecto): Se le hace entrega del proyecto al cliente en la fecha establecida, informándole de los objetivos cumplidos, su alcance y todo lo que refiere al proyecto. 15

16 CAPÍTULO II EL PROYECTO 16

17 2.1 Antecedentes Ante la necesidad de automatizar el proceso de calibración de los luxómetros, el centro de investigación pone en marcha un proyecto para controlar una fuente de alimentación, empleada en el laboratorio de espectrofotometría, siendo indispensable la creación de una interface, en la cual se controlará y visualizará el comportamiento de dicha fuente. 2.2 Definición del proyecto El proyecto llevará el nombre de Interface USB para el control de una fuente de alimentación y recepción de datos en una computadora, el cual consiste en realizar un programa para comunicar un microocontrolador con una computadora; rear una interface de usuario, y diseñar un circuito impreso para la adquisición de datos. 2.3 Objetivo Controlar una fuente de alimentación con una incertidumbre no mayor al.2%. Comunicar una tarjeta de adquisición de datos con una computadora a una velocidad de hasta 12Mbps. Diseñar una aplicación de alto nivel para monitorear y controlar la salida de una fuente de alimentación. 2.4 Alcance El procedimiento de calibración utilizado en el CENIT se realiza por medio de componentes analógicos, por lo cual se pretende automatizar dicho procedimiento mediante componentes digitales, para ahorrar tiempo y por consiguiente aumentar la productividad. 17

18 Facilitar la labor de calibración de los luxómetros, ya que este proyecto servirá para el control vía computadora de fuentes de alimentación, con las que se suministra energía a las bombillas patrón, visualizando en la interface el comportamiento gráfico de la señal de potencia suministrada por la fuente a la bombilla. 2.5 Plan de trabajo A continuación se mencionarán las tareas planificadas para el periodo de estadía: Planeación de proyecto: Se establecen los parámetros de operación del sistema de control para reconocer los distintos módulos por los cuales será conformado. Investigación: Se le asigna un alto porcentaje de la estadía a la investigación, dado que el proyecto así lo requiere, calculando un total de 3 semanas de investigación. Hardware para la tarjeta de adquisición de datos: En el transcurso de una semana se diseña la tarjeta de adquisición de datos. Software para el microcontrolador: Se programa el microcontrolador para que realice la comunicación, adquisición y envío de datos. Aplicación de alto nivel: En este periodo se diseña la aplicación de alto nivel para monitorear y controlar los datos recibidos de la tarjeta de adquisición de datos. Pruebas y ajustes: Durante este periodo se realizan las pruebas y ajustes pertinentes, para lograr una comunicación con las características de procesamiento establecido en los objetivos y el correcto control de la fuente. Puesta en marcha: El proyecto se pone en funcionamiento para observar su rendimiento. 18

19 2.5.1 Gráfica de Gantt Con el fin de tener un aprovechamiento óptimo de los tiempos,se hizo una gráfica de Gantt, (Tabla 2.1) en la cual cada semana está representada por un rectángulo. Planeación proyecto Investigación del Hardware p/tarjeta de adquisición de datos Software p/microcontrolador Aplicación de alto nivel Pruebas y ajustes Puesta en marcha tareas mes Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Tabla 2.1 Grafica de Gantt (tiempo expresado en semanas). 19

20 CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO 20

21 Para la elaboración de este proyecto se requirió de una fundamentación teórica, siendo la cual se expone en este capítulo. La información referente al protocolo USB es de gran utilidad para comprender cada uno de los procedimientos que conforman la comunicación. De igual manera se aborda la información sobre las funciones y librerías utilizadas para crear la aplicación de alto nivel con el programa de lenguaje G Labview, y finalmente se anexa información referente al modo de funcionamiento del microcontrolador utilizado. 3.1 Protocolo USB 2 Interface física A nivel eléctrico, el cable USB transfiere la información y la alimentación sobre 4 hilos, como se puede apreciar en la figura 3.1. Figura 3.1 Diagrama eléctrico del cable USB. Se usan dos tipos de conectores, A (Figura 3.2) y B (Figura 3.3). Ambos son polarizados (sólo pueden insertarse en una posición) y utilizan sistemas de presión para sujetarse. Figura 3.2 Conector USB tipo A. 2.-Informacion tomada de la página web http :// 21

22 Los de tipo A utilizan la hembra en el sistema anfitrión, y suelen usarse en dispositivos en los que la conexión es permanente (por ejemplo, ratones y teclados). En general el conector hembra A está en el lado del host (PC) o de los concentradores (Hub). Figura 3.3 Conector USB tipo B. Los de tipo B utilizan la hembra en el dispositivo USB (periférico), y por lo general se utilizan en sistemas móviles. A nivel de alimentación, el cable proporciona la tensión nominal de 5 V. Es necesario definir correctamente el diámetro del hilo con el fin de que no se produzca una caída de tensión demasiado importante en el cable. Una resistencia de terminación instalada en la línea de datos permite detectar el puerto y conocer su configuración (1,5 o 12 Mbits/s). A nivel de señal, se trata de un par trenzado con una impedancia característica de 90 Ω La velocidad puede ser tanto de 12 Mbits/s como de 1,5 Mbits/s. La sensibilidad del receptor puede ser de, al menos, 200mV y debe poder admitir un buen factor de rechazo de tensión en modo común. El reloj se transmite en el flujo de datos, la codificación es de tipo NRZI, existiendo un dispositivo que genera un bit de relleno (bit stuffing) que garantiza que la frecuencia de reloj permanezca constante. Consumo Cada puerto para USB puede proporcionar una determinada potencia máxima siendo la computadora la encargada de suministrar la energía. Además, el periférico puede estar autoalimentado (self powered). 22

23 El consumo está estandarizado con un voltaje V Bus =5V y GND con una corriente máxima de 500mA, los dispositivos de baja velocidad (Low-Speed), van obligatoriamente equipados con un cable no mayor a 3m de longitud, y los dispositivos de velocidad completa (Full-Speed), son equipados con un cable no mayor a 5m de longitud. Control de consumo El ordenador gestiona el consumo, teniendo capacidad de poner en reposo (suspend) o en marcha a un periférico USB. En reposo, éste reduce su consumo (si puede), quedándose la parte USB funcional. Esta gestión está orientada especialmente a los equipos portátiles. Terminología USB Host: Dispositivo maestro que inicia la comunicación (Generalmente la computadora). Hub: Dispositivo que contiene uno o más conectores o conexiones internas hacia otros dispositivos USB, el cual habilita la comunicación entre el host y los diversos dispositivos. Cada conector representa un puerto USB. Dispositivo compuesto: Es aquel dispositivo con múltiples interfaces independientes. Cada una tiene una dirección sobre el bus, pero cada interface puede tener un manejador diferente de dispositivo (driver device) en el host. Puerto USB: Cada host soporta sólo un bus, cada conector en el bus representa un puerto USB, por lo tanto, sobre el bus puede haber varios conectores, pero sólo existe una ruta y sólo un dispositivo puede transmitir información en un tiempo determinado. 23

24 Manejador (Driver): es un programa que habilita aplicaciones para poderse comunicar con el dispositivo. Cada dispositivo sobre el bus debe tener un driver, algunos periféricos utilizan los drivers que trae Windows en su biblioteca API. Puntos terminales (Endpoints): Es una localidad específica dentro del dispositivo. El Endpoint es un buffer que almacena múltiples bytes, típicamente es un bloque de la memoria de datos o un registro dentro del microcontrolador. Todos los dispositivos deben soportar el punto terminal 0. Este punto terminal es el que recibe todo el control y la peticiones de estado durante la enumeración cuando el dispositivo esta sobre el bus. Tuberías (Pipes): Es un enlace virtual entre el host (la computadora) y el dispositivo USB, este enlace configura los parámetros asociados con el ancho de banda, qué tipo de transferencia se va a utilizar (Control, Bulk, Isocrona o Interrupt), dirección del flujo de datos y el máximo y/o mínimo tamaño de los paquetes/buffers. Cada enlace está caracterizado por su banda de paso (Token), su tipo de servicio, el número de punto terminal (EndPoint) y el tamaño de los paquetes. Estos enlaces se definen y crean durante la inicialización del USB. Siempre existe un enlace virtual 0 que permite tener acceso a la información de configuración del periférico USB (estado, control e información). La norma USB define 2 tipos de enlaces virtuales (pipe); stream y message. Tuberías de flujo (Stream Pipes): se trata de un flujo sin formato USB definido, esto significa que se puede enviar cualquier tipo de dato. Este tipo de pipe soporta a las transferencias bulk, isócronas, e interrupción. Además, tanto el host como el dispositivo USB pueden tomar el control de las tuberías de flujo. Tuberías de mensaje (Message Pipes): este tipo de enlace virtual sí tiene un formato USB definido y sólo puede soportar a la transferencia de Control. El modo de transferencia del enlace virtual (pipe) puede ser: 24

25 Control: Modo utilizado para realizar configuraciones; existe siempre sobre el Punto terminal 0 (EndPoint 0). Todos los dispositivos USB deben soportar este tipo de transferencia. Se desarrolla en 3 transacciones: Transacción de Configuración (Setup), en la que se envía al dispositivo un paquete que especifica la operación a ejecutar. Ocupa 8 bytes. Cero o más Transacciones de Datos, en las que se transfieren los paquetes de datos en el sentido indicado por la Transacción de Configuración. La información útil por paquete puede ser de 8, 16, 32 ó 64 bytes para EndPoints FS, y de 8 bytes para EndPoints LS. Transacción de Estado, en la que el receptor informa del estado final de la operación. Se procesan por medio de un mecanismo "best effort", según el cual el Controlador USB las va procesando en función del tiempo disponible en cada Trama. Como mínimo se reserva el 10% del tiempo de Trama, y se puede utilizar tiempo adicional siempre que las necesidades de los tráficos isócrono y de interrupción lo permitan. Incorporan mecanismos de detección de errores (CRC) y de recuperación/retransmisión de datos. Bulk: Este modo se utiliza para la transmisión de importantes cantidades de información. Como el tipo control, este enlace no tiene pérdida de datos. Este tipo de transferencia es útil cuando la razón de transferencia no es crítica. Solo los dispositivos de velocidad completa utilizan este tipo de transferencia. Se procesan por medio de un mecanismo good effort, en el que el sistema aprovecha cualquier ancho de banda disponible y en el momento en que esté disponible (en otras palabras, no se garantiza una latencia ni un ancho de banda 25

26 mínimos). Se puede utilizar el tiempo de Trama reservado y no consumido por transferencias de Control (10%). Incorpora mecanismos de control de errores para garantizar la entrega de datos. La información útil por paquete puede ser de 8, 16, 32 ó 64 bytes. Interrupt: Este modo se utiliza para transmisiones de pequeños paquetes, rápidos, orientados a percepciones humanas (ratón, punteros). Este tipo de transferencia son para dispositivos que deben recibir atención periódicamente y lo utilizan los dispositivos de baja velocidad. Este tipo de transmisión garantiza la transferencia de pequeñas cantidades de datos. Aseguran una transacción (paquete) dentro de un periodo máximo (los dispositivos FS pueden solicitar entre 1 y 255 ms, y los LS entre 10 y 255 ms de periodo máximo de servicio). Incorpora detección de errores y retransmisión de datos. La información útil por paquete puede oscilar entre 1 y 64 bytes para dispositivos velocidad completa (Full-Speed) y entre 1 y 8 bytes para dispositivos baja velocidad (LowSpeed). Isochronous o Flujo en tiempo real: Este modo se utiliza para la transmisión de audio o video comprimido. Este tipo de transmisión funciona en tiempo real. Sólo son utilizables por dispositivos FS. La información útil por paquete puede oscilar entre 1 y 1,023 bytes. En cada Trama se transfiere un paquete por cada conexión isócrona establecida. El sistema puede asignar como máximo el 90% del tiempo de Trama para transferencias isócronas y de interrupción. Si el sistema ya tiene asignado un tiempo de Trama de forma que no garantiza tiempo suficiente como para manejar una nueva conexión isócrona (transmitir un nuevo paquete por Trama), simplemente no se establece la conexión. Los posibles errores no se recuperan (la información que no llega a su tiempo, se descarta). 26

27 Proceso de enumeración Cuando se conecta un dispositivo USB a la computadora se produce el proceso de enumeración, el cual consiste en que el host le ordena al dispositivo que se presente y le diga cuáles son sus parámetros, tales como: Consumo de energía expresada en unidades de carga (ma). Número y tipos de EndPoints (por lo general se usan 16 como máximo destinando el EndPoint 0 para configuración). Clase del producto. Tipo de transferencia Razón de transferencia. El proceso de enumeración es inicializado por el host cuando detecta que un nuevo dispositivo ha sido adjuntado al Bus. El host le asigna una dirección al dispositivo y habilita su configuración permitiendo la transferencia de datos sobre el bus. 3.2 Proceso de comunicación vía USB 3 La comunicación vía USB es de tipo Plug and Play para el usuario, sin embargo, detrás de ese simple paso se encuentra todo un proceso de identificación para el dispositivo. Dicho proceso se puede separar en tres fases, las cuales se encuentran dentro del programa del microcontrolador (Firmware), como se muestra en la figura ª. FASE 2ª. FASE 3ª. FASE USB BUS RESET PROCESO DE ENUMERACIÓN GESTIÓN DEL DISPOSITIVO Y COMUNICACIÓN Figura 3.4 Etapas del proceso de comunicación. 3.-Informacion tomada de la página web 27

28 1ª. Fase (USB Bus Reset): Cuando el dispositivo se conecta al puerto del host, éste lo detecta y provoca una interrupción de reset para que el dispositivo configure los registros y punteros necesarios y para que se pueda proceder a la enumeración. En esta fase el programa debe habilitar y configurar el Endpoint 0 para recibir y contestar a transacciones de tipo Setup, e inicializar todas las variables que posteriormente se utilizarán. Esto se realiza dentro de la rutina de servicio de la interrupción Bus Reset. 2ª Fase (Proceso de Enumeración): Esta fase se produce cuando el dispositivo es conectado al Bus y después de la fase de Bus Reset. El host debe reunir la información necesaria para que el sistema identifique al dispositivo, configure el tipo de comunicación que se producirá entre ambos y encuentre al driver que tiene que utilizar para establecer esa comunicación. El proceso consiste, primero, en asignar una dirección al dispositivo; y segundo, en la accion por la cual el host envía una serie de peticiones para que el dispositivo mande información con el fin de establecer la comunicación. La información que debe mandar el dispositivo se estructura en registros o descriptores que configuran al dispositivo, son transmitidos mediante transferencia de control y siempre usando el Endpoint 0. Estos descriptores son los siguientes: Dispositivo descriptor: contiene información básica del dispositivo como puede ser número de serie, clase de dispositivo, etc. Configuración descriptor: contiene información sobre las capacidades y funciones del dispositivo, tipo de alimentación de energía que soporta.. Interface descriptor: contiene información sobre el número de Endpoints que soporta y el protocolo utilizado. Clase de descriptor: determina la clase del dispositivo. Punto final descriptor: excepto para el Endpoint 0, cada Endpoint debe ser configurado. 28

29 La configuración de cada Endpoint consiste en el número de Endpoint, dirección de sus comunicaciones (IN, OUT) y número de bytes que transmite. Con estos descriptores y otros del sistema operativo (Windows), el host debe encontrar el driver que necesita para comunicarse con el dispositivo. Para localizar este driver, Windows debe tener cargado un archivo especial de texto llamado INF que dice al sistema qué driver debe utilizar. Para realizar este proceso de enumeración se deberán cargar en el programa, el código de los descriptores, habilitar y configurar la interrupción del Endpoint 0 para aceptar transacciones de tipo Setup, saber qué tipo de reporte ha solicitado en cada caso el host y mandarlo por el Endpoint 0. 3ª Fase (Gestión del dispositivo y de las comunicaciones): después de las dos fases anteriores en las que se configura y se establece la comunicación con el host, se pasa a la tercera fase que es la que realmente se centra en gestionar la funcionalidad para la que se ha diseñado el dispositivo. 3.3 Aplicación de alto nivel en Labview 4 LabVIEW constituye un revolucionario sistema de programación gráfica para aplicaciones que involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos. Las ventajas que proporciona el empleo de LabVIEW se resumen en las siguientes: Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10 veces, ya que es muy intuitivo y fácil de aprender. Permite cambios y actualizaciones tanto del hardware como del software. Da la posibilidad a los usuarios de crear soluciones completas y complejas. Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición, análisis y presentación de datos. 4.-Informacion tomada de la página web 29

30 El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima velocidad de ejecución posible. Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes. LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones, similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o BASIC. Sin embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un importante aspecto: los citados lenguajes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente del programa, mientras que LabVIEW emplea la programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en diagramas de bloques. Para el empleo de LabVIEW no se requiere gran experiencia en programación, ya que se emplean iconos, términos e ideas familiares a científicos e ingenieros, y se apoya sobre símbolos gráficos en lugar de lenguaje escrito para construir las aplicaciones. Por ello, resulta mucho más intuitivo que el resto de los lenguajes de programación convencionales. LabVIEW posee extensas librerías de funciones y subrutinas. Además de las funciones básicas de todo lenguaje de programación, LabVIEW incluye librerías específicas para la adquisición de datos, control de instrumentación VXI, GPIB y comunicación serie, análisis presentación y guardado de datos. LabVIEW también proporciona potentes herramientas que facilitan la depuración de los programas. Método de operación Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos Virtuales (VIs), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento real. Sin embargo, son análogos a las funciones creadas con los lenguajes de programación convencionales. Los VIs tienen una parte interactiva con el usuario y otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes de otros VIs. Todos los VIs tienen un 30

31 panel frontal y un diagrama de bloques. Las paletas contienen las opciones que se emplean para crear y modificar los VIs. Panel frontal Se trata de la interfaz gráfica del VI con el usuario. Esta interfaz recoge las entradas procedentes del usuario y representa las salidas proporcionadas por el programa. Un panel frontal está formado por una serie de botones, pulsadores, potenciómetros, gráficos, etc. Cada uno de ellos puede estar definido como un control o un indicador. Los primeros sirven para introducir parámetros al VI, mientras que los indicadores se emplean para mostrar los resultados producidos, ya sean datos adquiridos o resultados de alguna operación. Diagrama de bloques El diagrama de bloques constituye el código fuente del VI. En el diagrama de bloques es donde se realiza la implementación del programa del VI para controlar o realizar cualquier proceso de las entradas y salidas que se crearon en el panel frontal. El diagrama de bloques incluye funciones y estructuras integradas en las librerías que incorpora LabVIEW. En el lenguaje G las funciones y las estructuras son nodos elementales. Son análogas a los operadores o librerías de funciones de los lenguajes convencionales. Los controles e indicadores que se colocaron previamente en el Panel Frontal, se materializan en el diagrama de bloques mediante las terminales. *Librerías utilizadas 5 La comunicación se realiza a través de un sub.vi llamado picusb creado con uso de la librería mpusbapi.dll que nos proporciona Microchip, el cual se puede apreciar en la figura 3.5. El puente que establece la comunicación entre el microcontrolador y la PC se 5.-Informacion tomada de la página web 31

32 realiza mediante las librerías USB del software CCS C Compiler (tema 3.3), y el driver mchpusb.inf para Microsoft Windows XP y Windows 7. Figura 3.5 Conexiones del sub-vi para el envío y recepción de datos. Vid_Pid: Es el nombre del vendedor y producto con el que fue configurado nuestro dispositivo, en nuestro caso: "vid_0x04d8&pid_0010" N. bytes a escribir: Indica el número de bytes o el tamaño del dato que vamos a transferir. Dato a Enviar: Indica el dato que se va a enviar. Retardo de entrada y salida: Indica cada cuanto tiempo se hará la capturar de datos. El tiempo tiene que indicarse en milisegundos. N. bytes a Recibir: Aquí se indica el tamaño de datos que se están enviando del dispositivo USB (microcontrolador o PicUSB). Dato Recibido: En esta parte es donde se capturarán los datos que se están enviando desde el dispositivo y se visualiza en un gráfica. Longitud de datos recibidos: Se recibe la longitud del dato recibido y es desplegado en display dentro de la aplicación de alto nivel. *mpusbapi.dll Para una mayor facilidad de desarrollo de aplicaciones basadas en el bus USB, Microchip ha creado un archivo.dll en el que proporciona las funciones de acceso al puerto USB con un microcontrolador de la familia PIC18Fxx5x. 32

33 La mpusbapi.dll cuenta con una función que permite modificar el número de vendedor y número de producto. MPUSBGetStringDescriptor(): Permite acceder a las cadenas del descriptor como Nombre de producto y Nombre de Vendedor. *mchpusb.inf Para que el driver sea configurado correctamente, el ordenador requiere de una secuencia de datos con información relativa al dispositivo, esta secuencia de datos se encuentra organizada sintácticamente en el archivo instalador.inf. A nivel de usuario, se resumen a 5 los datos para personalizar nuestros archivos instaladores.inf. Estos datos son: Nombre, VID, PID, Fabricante y Descripción. 3.4 Compilador PICC CCS En la elaboración del Firmware para el microcontrolador, se usó el compilador PICC de CSS, y las siguientes librerías. *pic18_usb.h: Controladores para la familia PIC18F4550, con módulo USB interno. *usb.c: Controlador encargado de las peticiones de instalación e interrupción USB por el EndPoint Hojas de datos. El microcontrolador utilizado para la tarjeta de adquisición de datos es de la serie PIC18F4550. La informacion relacionada con este dispositivo puede ser consultada en el anexo A. 33

34 CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL PROYECTO 34

35 El proyecto comenzó con una investigación referente al protocolo de comunicación USB (Capítulo 3), la cual permitió adquirir los conocimientos para comprender el modo de funcionamiento de dicha comunicación. También se investigó el microcontrolador a utilizar, para conocer sus características y funciones. Sabiendo esto, se pudo comenzar con las pruebas y ajustes de la comunicación. Una vez lograda la comunicación con éxito, dio inicio la etapa de diseño de la aplicación de alto nivel. 4.1 Planeación del proyecto El proyecto consiste en realizar una aplicación de alto nivel en la que será monitoreado el comportamiento de una fuente de alimentación. Para lograr esto se creará una tarjeta de adquisición de datos, la cual estará comunicada con la computadora por medio del puerto USB. Dicha tarjeta controla a una fuente de potencia de 120VCD a 300W, tomando una señal de referencia y comparándola con la señal enviada por un sensor de luminosidad, la diferencia entre estas señales será enviada al módulo PWM del microcontrolador, para que este pulso, proporcional al error obtenido, se envíe a un actuador, el cual controla la tensión de la fuente, obteniendo así un sistema de control de lazo cerrado. La zona que se encuentra dentro de la línea punteada (figura 4.1)será explicada en este reporte. Figura 4.1 Sistema de control de lazo cerrado para fuente de alimentación. 35

36 Para comprender el funcionamiento del flujo de datos entre la computadora y la tarjeta de adquisición de datos, en la figura 4.2 se muestra un diagrama de bloques, en la cual se ilustran las diferentes etapas por las cuales fluyen los datos. COMPUTADORA (host) Aplicación de alto nivel DISPOSITIVO Sensor de luminosidad Software Tarjeta de adquisición de datos Driver del dispositivo (Sistema operativo) Puerto USB del host USB Puerto USB del microcontrolador Figura 4.2 Flujo de datos entre el host y el dispositivo. El diagrama se compone de dos bloques mayores, el bloque de la derecha representa al dispositivo el que engloba la tarjeta de adquisición de datos así como al sensor de luminosidad; y el bloque de la izquierda representa a la computadora (host), englobando al manejador (driver) del dispositivo, así como la aplicación de alto nivel, en la cual se visualiza de forma gráfica el comportamiento de la fuente. 36

37 4.2 Hardware para tarjeta de adquisición de datos Se diseñó un sistema con los componentes necesarios para que el microcontrolador opere de manera correcta, anexando los conectores e indicadores que se utilizan en la adquisición de datos (figura 4.3). Figura 4.3 Diagrama eléctrico para la tarjeta de adquisición de datos. 37

38 El microcontrolador utilizado es de la serie PIC18F4550 de Microchip, se seleccionó este microcontrolador por tener un módulo interno para establecer comunicación mediante el puerto USB, además de que cuenta con un módulo para PWM que se utilizará para la etapa de control. El conector USB (USB1) es un conector del tipo A hembra, cuyos pines D+ y D+ van conectados a los pines 23 y 24 del microcontrolador, mientras los pines GND y 5V alimentan todo el circuito. El cristal (X1) es de 20MHz y se conecta a los pines 13 y 14 del microcontrolador. El oscilador cuenta con un filtro de capacitores para estabilizar los pulsos. El conector (CN3) sirve para la recepción de la señal del sensor, la cual es enviada al pin 4 del micro, de la señal de referencia enviada al pin 3 del micro y de la señal del PWM proveniente del pin15 del micro. El Led D3 indica que se está enumerando el puerto USB del dispositivo. El Led D4 indica que el dispositivo fue enumerado y se encuentra acoplado correctamente. Los indicadores de límite para la señal del sensor cuentan con un indicador para cada caso, superior=d5, inferior=d6 y normald7, los cuales se establecen dentro de la aplicación de alto nivel. Para la elaboración del circuito impreso se usó el software para diseño de PCB llamado PCB Wizard, quedando el diseño como se muestra en la figura 4.4. De igual manera se muestra la placa terminada (figura 4.5) y el circuito montado (figuras 4.6 y 4.7). 38

39 Figura 4.4 Diseño del PCB para la tarjeta de adquisición de datos. Figura 4.5 Cara de componentes y cara de soldadura de la tarjeta de adquisición de datos. 39

40 Figura 4.6 Tarjeta de adquisición de datos ensamblada. Figura 4.7 Tarjeta de adquisición de datos. 40

41 4.3 Firmware (programa para el microcontrolador) Una vez que fue diseñado el hardware para el microcontrolador, se comenzó la programación de éste, utilizando el compilador PICC de CCS, el cual tiene un entorno de programación en lenguaje C. Para una mejor comprensión sobre el funcionamiento del programa, en la figura 4.8 se presenta un diagrama de flujo en donde se plasman cada uno de los pasos que realiza el microcontrolador para interactuar con el host y para controlar a la fuente de alimentación. El diagrama de flujo resulta ser una herramienta muy útil a la hora de desarrollar los programas en lenguaje C, ya que sirve como guía para saber qué instrucciones debe llevar el programa y así obtener el mejor resultado. En el diagrama de flujo mostrado en la figura 4.8, se puede observar que éste comienza con la configuracion de puertos, timers y ADC del microcontrolador; es decir, se define el modo en el cual van a operar los distintos perifericos del microcontrolador. Luego se enciende el indicador de conectando (C0=ON), el cual indica que el USB del microcontrolador está en espera de que el host lo enumere; después inicializa el USB y habilita el puerto USB, espera a que sea configurado por el host, y cuando es configurado enciende el indicador conectado (C1=ON) para comenzar con un ciclo infinito de adquisición, control y envío de datos. Por último, el microcontrolador cuestiona si el módulo MCLR (Master Clear) fue activado; de ser correcto esto, (MCLR == 0) reinicia todo el procedimiento, y si es falso (MCLR == 1) continúa con el ciclo infinito de adquisición, control y envío de datos. 41

42 NO Figura 4.8 Diagrama de flujo para el Firmware. 42

43 Figura 4.9 Fusibles de operación para el microcontrolador. #include<18f4550.h>: Se da la instrucción de incluir el código fuente para el microcontrolador PIC18F4550. #DEVICE ADC=8: Se configura la resolución del ADC a 8 bits. #use delay(clock= ): Se indica la velocidad a la que opera el reloj interno. #fuses: En esta declaración se da de alta los fusibles con los que opera el microcontrolador. HSPLL: Cristal oscilador de alta velocidad con PLL activado. MCLR: Reset por Master Clear activado. NOWDT: Se deshabilita la función del perro guardián. NOPROTECT: Se deshabilita la protección de código. NOLVP: Se deshabilita la programación para bajo voltaje (LVP). NODEBUG: Se deshabilita el depurador de fondo. 43

44 PLL5: Se divide la frecuencia del cristal oscilador entre 5 para obtener los 4MHz que requiere el microcontrolador para operar (ver anexo A, página 30). USBDIV: Son divididos los 96MHz del PLL entre 2 para obtener la frecuencia de 48MHz para el USB (ver anexo A, página 24). CPUDIV1: Se divide la frecuencia del PLL entre dos para obtener los 48MHz del reloj principal (ver anexo A, página 30). VREGEN: Se habilita el regulador interno del microcontrolador para el módulo USB (alimentación por medio del puerto USB) (véase el anexo A, página 163). *Definición de variables para descriptor. En esta parte del programa se definen las variables que se usan en el documento descriptor, en donde se especifica que la comunicación será de tipo Bulk y el tamaño del Buffer para el Endpoint1 (figura 4.14). Figura 4.14 Definición de variables ligadas al descriptor. #define USB_HID_DEVICE FALSE: Se deshabilitan las directivas para comunicación tipo HID (Human Interfaz Device). #define USB_EP1_TX_ENABLE USB_ENABLE_BULK: Es habilitada la entrada tipo Bulk en el Endpoint1. 44

45 #define USB_EP1_RX_ENABLE USB_ENABLE_BULK: Es habilitada la salida tipo Bulk en el Endpoint1. #define USB_EP1_TX_SIZE 1: Se asigna el tamaño del buffer para el endpoint1 de entrada. #define USB_EP1_RX_SIZE 2: Se asigna el tamaño del buffer para el Endpoint1 de salida. *Librerías Como ya se había mencionado, el programa necesita de librerías para poder establecer la comunicación, dichas librerías son incluidas dentro del programa, creando así un vínculo entre el Firmware y los Drivers de la computadora (figura 4.15). Figura 4.15 Librerías a utilizar para la comunicación entre el Host y el dispositivo. #include<pic18_usb.h>: Librería de Microchip para los microcontroladores de la serie PIC18Fxx5x. #include<picusb.h>: Librería encargada de la configuración del USB y los descriptores, para el funcionamiento del dispositivo. #include<usb.c>: Librería encargada de las peticiones e interrupciones USB para los Endpoints. #include<math.h>: Librería encargada de las operaciones dentro del ciclo de control para la fuente de 300W a controlar. 45

46 *Asignación de variables La asignación de variables consiste en darles un nombre a los registros, para facilitar la programación y minimizar los errores de programación. En la figura 4.16 se observa la asignación de variables para los canales 1 y 2 del puerto C del Microcontrolador, en los cuales irán conectados un par de Leds, que nos indicarán el estado en el que se encuentra la comunicación entre el dispositivo y el Host. Figura 4.16 Asignación de variables para los Leds indicadores de estado. #define LEDV PIN_C1: Al canal C1 se le da el nombre de LEDV. #define LEDR PIN_C0: Al canal C0 se le da el nombre de LEDR. #define LED_ON output_high: Se define la instrucción de salida en alto (1 lógico) como LED_ON. #define LED_OFF output_low: Se define la instrucción de salida en bajo (0 lógico) como LED_OFF. Dentro de la asignación de variables también son nombrados los registros para envío y recepción de datos con el host (figura 4.17). 46

47 Figura4.17 Asignación de variables a las instrucciones de envío/recepción de datos. #define modo recibe[0]: Se define a RX[0] con la variable modo, para recibir datos del Host con el Buffer0. #define param recibe[1]: Se define a RX[1] con la variable param, para recibir datos desde el Host con el Buffer1. #define Temperatura envía[0]: Se define a TX[0] con la variable Temperatura, para enviar datos al Host con el Buffer0. *Declaración de variables locales Las variables locales son utilizadas dentro del programa principal. Sirven para dar un nombre a los registros en donde son almacenados los datos adquiridos, por ejemplo el valor leído del ADC se almacena en la variable dato. Se dan de alta como variables enteras de 8 bits, como se muestra en la figura 4.18; serán explicadas a medida que se vayan usando dentro del programa. Figura 4.18 Declaración de variables enteras de 8 bits. 47

48 Una vez que se incluyen las librerías a utilizar y se asignan las variables, se comienza la estructura del programa principal, el cual será explicado a continuación. *Programa Principal El programa principal se encuentra dentro de una funcion void, es decir que todo lo que se encuentra dentro del programa no retornará nada como resultado y simplemente realizará las funciones que se le ordenen. Para comenzar, se configuran los puertos que se van a utilizar, especificando si la entrada o salida será de tipo analógico o digital, de igual manera son configurados únicamente los Temporizadores (Timer) que se van a utilizar (figura 4.19). Figura 4.19 Configuración de puertos, Timers y ADC. set_tris_d(0x00): Se configura el puerto D como salida. set_tris_b(0x00): Se configura el puerto B como salida. output_d(0x00): Se limpia el puerto D. output_b(0x00): Se limpia el puerto B. setup_timer_0(rtcc_internal): Se configura el timer0 para que opere con el reloj interno. 48

49 setup_timer_1(t1_disabled): Se deshabilita el timer1. setup_timer_2(t2_disabled,0,1): Se deshabilita el timer2. disable_interrupts(global): Se deshabilitan todas las interrupciones. Setup_port_a(ALL_ANALOG): Se configura el puerto A como entradas analógicas. Setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL): Se configura al módulo del ADC para que opere con el reloj interno. Enseguida de realizar la configuración de puertos se comienzan a dar las instrucciones de inicialización y habilitación del dispositivo por el host (figura 4.20). Figura 4.20 Inicialización y habilitación del dispositivo. LED_OFF(LEDV): Se apaga el Led indicador verde. LED_ON(LEDR): Se enciende el Led indicador rojo (dispositivo en enumeración). usb_init(): Se inicializa el USB. usb_task(): Se habilita el periférico USB e interrupciones. usb_wait_for_enumeration(): El dispositivo espera hasta que sea identificado por el Host. LED_ON(LEDV): Se enciende el Led indicador verde (Dispositivo reconocido). LED_OFF(LEDR): Se apaga el Led indicador rojo. 49

50 Como se puede observar el microcontrolador cuenta con dos Leds indicadores, en donde el Led rojo significa que el dispositivo está en espera de ser identificado y el led verde indica que el dispositivo ha sido identificado por el Host. Una vez que el dispositivo ha sido identificado, comienza a correr el procedimiento de adquisición, control, recepción y envío de datos, el cual se encuentra dentro de un bucle infinito (while), comenzando por una serie de preguntas condicionales sobre si el dispositivo ya fue identificado por el Host, y si el Endpoint de salida contiene datos del Host, los cuales se guardan en una variable llamada recibe (figura 4.21). Figura 4.21 Toma de decisiones para comenzar el envío y recepción de datos. if (usb_enumerated()): Se pregunta si el dispositivo ya fue reconocido; de ser así se procede con la siguiente pregunta. if (usb_kbhit(1)): Se pregunta si el Endpoint de salida contiene datos provenientes del Host; si la respuesta es sí: usb_get_packet(1,recibe,2): Se toma el paquete de 2 bytes del Endpoint1 y se almacena en la variable recibe. Debido a que la aplicación de alto nivel (Sub-capítulo 4.4), cuenta con tres modos de envío y recepción de datos, se puede seleccionar entre el envío de datos digitales, recepción de datos analógicos o ambos. El Firmware cuenta con una serie de preguntas condicionales, para decidir qué tipos de datos debe enviar o recibir el Microcontrolador 50

51 de acuerdo a los requerimientos del usuario. Al seleccionar el modo1 se habilita el envío de datos digitales, al seleccionar el modo2 se habilita la recepción de datos analógicos y al seleccionar el modo3 se habilitan ambos modos simultáneamente. Para una mejor comprensión sobre cómo funcionan los modos de envío y recepción se realizó un diagrama de flujo, como se muestra en la figura Figura 4.22 Selección del tipo de datos a enviar. En base al diagrama de flujo se realizó la siguiente parte del programa en donde el microcontrolador decide qué tipos de datos va a recibir o a enviar. Sí es seleccionado el modo 1, se habilita el envío de datos digitales (figura 4.23). Figura 4.23 Toma de decisión para envío de datos digitales en modo 1. En la figura 4.24 se muestran las instrucciones que habilitan la recepción de datos analógicos (modo 2). 51

52 Figura 4.24 Toma de decisión para recepción de datos analógicos en modo 2. Para la adquisición y control de datos analógicos, se comienza por dar de alta la función del módulo ADC para el canal AN1 (señal de referencia) y AN2 (señal del sensor). Dicho módulo convierte la señal analógica en una señal digital que va de 0 a 255 cuentas. La señal de referencia es fijada por el usuario de acuerdo a la potencia que se requiere que suministre la fuente, la señal de la referencia y del sensor tienen un rango de 0 a 5V debido a que el módulo del ADC sólo opera dentro de este rango. Una vez que son medidos los valores de estas dos señales, se comparan entre sí, enviando la diferencia al módulo PWM para modificar su ciclo de servicio en proporción al error obtenido en la comparación. En la figura 4.25 se muestra el diagrama de flujo para la adquisición y control de datos analógicos. Figura 4.25 Diagrama de flujo para la etapa de control. 52