DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y COMUNICACIONES MODULAR PARA PLATAFORMAS ROBÓTICAS

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y COMUNICACIONES MODULAR PARA PLATAFORMAS ROBÓTICAS Por: Vanessa Farfán Rebeca Solaeche Sartenejas, Enero del 2007

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y COMUNICACIONES MODULAR PARA PLATAFORMAS ROBÓTICAS Por: Vanessa Farfán Rebeca Solaeche Realizado con la asesoría de: Gerardo Fernández Pablo Estévez PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Enero del 2007

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y COMUNICACIONES MODULAR PARA PLATAFORMAS ROBÓTICAS PROYECTO DE GRADO presentado por: Vanessa Farfán y Rebeca Solaeche RESUMEN En este proyecto se diseñó un sistema de control y comunicaciones para plataformas robóticas. Dicho sistema está constituido por tres partes. En primer lugar, un módulo principal de procesamiento para el cual se emplean las tarjetas DEMO9S12XDT512 y CSM12C32. En segundo lugar, un módulo de comunicaciones el cual posee conversores I 2 C-paralelo, I 2 C- RS232 e I 2 C-Bluetooth además de la implementación el bus I 2 C para procesadores HC08 y HCS12. En tercer lugar, un módulo de control de motores constituido por un sub-módulo de alimentación, un sistema de control de motores a lazo abierto y un sistema de control de motores a lazo cerrado con compensador PID, además de incluir los drivers correspondientes para el manejo de los mismos. El desarrollo de este proyecto se llevó a cabo en las instalaciones del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Simón Bolívar, como respuesta a la necesidad del Grupo de Mecatrónica de instrumentar las plataformas que utiliza. PALABRAS CLAVES Plataformas robóticas, buses de comunicaciones, sistemas de control. Sartenejas, Enero del 2007

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7 ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS...iv ÍNDICE DE TABLAS... vii ABREVIATURAS... viii TÉRMINOS EN INGLÉS...xi UNIDADES... xiii 1 INTRODUCCIÓN Definición del problema Justificación Objetivo general Objetivos específicos Recursos disponibles MARCO TEÓRICO Plataformas robóticas Definición Características Comunicaciones Introducción a los protocolos de bus Protocolos estándar Comunicación serial Comunicación inalámbrica Motores Motores DC Servos Modulación por ancho de pulso (PWM) Puentes H Codificadores Alimentación...42

8 ii Fuentes de alimentación reguladas Teoría de control Definición de un sistema de control Lazos de control DISEÑO DEL SISTEMA Módulo principal de procesamiento Descripción de la tarjeta DEMO9S12XDT Descripción de la tarjeta CSM12C Sistema de comunicaciones Bus de comunicaciones Justificación Implementación Módulo de comunicaciones Hardware Software Conversor I 2 C-paralelo Librerías Sistema de control de motores Módulo de control de motores Hardware Software Librerías Producto final PRUEBAS Y ANÁLISIS Sistema de comunicaciones Módulo de control de motores CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÉNDICE...108

9 A iii Sistemas comerciales disponibles A.1 Tarjetas principales de procesamiento A.1.1 PC A.1.2 HandyBoard A.1.3 Basic Stamp 2p A.2 Tarjetas de comunicaciones A.2.1 Módulo de radio telemetría CM A.2.2 BlueCOM RS A.3 Tarjetas de control de motores A.3.1 MD A.3.2 SD21 módulo controlador de servomotores A.3.3 MAXI doble puente H manejador de 2 motores...114

10 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Esquema de clasificación de las líneas de bus según su función....8 Figura 2.2. Clasificación de los modos de transmisión....9 Figura 2.3. Caso de un maestro con más de un esclavo Figura 2.4. Esquema de conexión directa entre dispositivos a través del SCI Figura 2.5. Esquema de conexión multipunto half-duplex con una sola línea Figura 2.6. Esquema de conexión multipunto full-duplex con dos líneas Figura 2.7. Asignación de pines en el conector DB Figura 2.8. Topología del USB...22 Figura 2.9. Ejemplo de una configuración usando el bus I 2 C con dos microcontroladores...24 Figura Conexión de dispositivos I 2 C...25 Figura Transferencia de bits en el bus I 2 C...25 Figura Condiciones de START y STOP Figura Transferencia de datos en el bus I 2 C...26 Figura Reconocimiento en el bus I 2 C...27 Figura Una transferencia de datos completa...28 Figura Formato de transferencia maestro-transmisor/esclavo-receptor Figura Un maestro lee a un esclavo inmediatamente después del primer byte Figura Formato combinado Figura Dispositivos con niveles de entrada fijos conectados al bus I 2 C Figura Dispositivos con amplio rango de voltaje de alimentación conectados al bus I 2 C Figura Dispositivos mezclados conectados al bus I 2 C Figura Resistores en serie (Rs) para protección contra saltos de voltaje...30 Figura Gráfica de Rs max como función de Rp...31 Figura Dos picoredes se pueden conectar para formar una scatterred Figura Ejemplo de tres señales PWM Figura Diagrama de un puente H...40 Figura Vista frontal del disco de un codificador en cuadratura...42 Figura Diagrama de componentes básicos de un sistema de control....49

11 v Figura Elementos de un sistema de control a lazo abierto Figura Sistema de control a lazo cerrado...50 Figura Lazo cerrado de control con controlador proporcional...52 Figura Lazo cerrado de control con controlador proporcional derivativo...53 Figura Lazo cerrado de control con controlador proporcional integral...54 Figura Lazo cerrado de control con controlador proporcional integral derivativo...55 Figura 3.1. Sistema de control y comunicaciones modular para plataformas robóticas Figura 3.2. Tarjeta DEMO9S12XDT Figura 3.3. Tarjeta CSM12C Figura 3.4. Topología del sistema de control y comunicaciones modular para plataformas robóticas Figura 3.5. Diagrama de conexión de los módulos del sistema al bus I 2 C...66 Figura 3.6. Diagrama del módulo de protección para la tarjeta DEMO9S12XDT Figura 3.7. Diagrama del módulo de protección para la tarjeta CSM12C Figura 3.8. Diagrama de flujo del algoritmo de comunicación básica de un dispositivo maestro I 2 C...70 Figura 3.9. Formato de la trama de datos de un paquete usando la interfaz I 2 C Figura Distribución de pines del MC68HC908KX Figura Esquema circuital de conexión del MAX Figura Módulo BlueSMiRF con la distribución de pines Figura Esquema circuital del módulo de comunicaciones Figura Diagrama de flujo del algoritmo de comunicación básica de un dispositivo esclavo I 2 C...76 Figura Distribución de pines del MC68HC908QY Figura Esquema circuital del conversor I 2 C-paralelo...79 Figura Distribución de pines del MC68HC908CP Figura Conector de bus de alimentación y comunicaciones...83 Figura Empaque comercial del LM Figura Configuración típica del LM Figura Esquema circuital del sub-módulo de alimentación...84 Figura Disposición general de pines del LM629N6...85

12 vi Figura Esquema circuital del oscilador de cristal de 4MHz...87 Figura Empaque del L Figura Distribución de pines del L Figura Esquema circuital del puente H con los diodos de protección y el motor Figura Distribución de pines del 74LS157N Figura Esquemático del sistema de control de motores Figura 4.1. Foto del montaje inicial de un maestro y un esclavo MC8HC908GP Figura 4.2. Foto del sistema de tres MC68HC908GP32 y un MC68HC908QY Figura 4.3. Foto de la tarjeta maqueta del sub-módulo de alimentación Figura 4.4. Foto del conector del motor BALDOR Figura 4.5. Foto de la tarjeta de drivers de motores Figura 4.6. Foto del sistema de control en conjunto Figura A.1. Módulo PC Figura A.2. HandyBoard..110 Figura A.3. Basic Stamp 2p.111 Figura A.4. Módulo de radio telemetría CM Figura A.5. BlueCOM RS Figura A.6. MD Figura A.7. SD Figura A.8. MAXI doble puente H manejador de 2 motores...114

13 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Rendimiento vs. costo a la hora de las decisiones de diseño...11 Tabla 2.2. Señales del sistema SPI Tabla 2.3. Definiciones de la terminología del bus I 2 C...23 Tabla 3.1. Tabla resumen de protocolos de bus seriales Tabla 3.2. Asignación de pines del MC68HC908KX Tabla 3.3. Asignación de pines del módulo BlueSMiRF...74 Tabla 3.4. Asignación de pines del MC68HC908QY Tabla 3.5. Asignación de pines del LM629N Tabla 3.6. Asignación de pines del integrado 74LS Tabla 4.1. Leds indicadores en pruebas de comunicación I 2 C....98

14 ABREVIATURAS AC Ack AFH BDM BJT CAN CMOS CPU CSMA/CD+AMP DB-25 DB-9 DC DCE DIP DSP DTE ECU Del inglés Altern Current que significa corriente alterna. Del inglés Acknoledge que significa reconocimiento. Del inglés Adaptive Frecuency Hopping que significa función de salto adaptable de frecuencia. Del inglés Background Debug Mode. Del inglés Bipolar Junction Transistor, que significa transistor bipolar de juntura. Del inglés Control Area Network, que significa red de control de área. Del inglés Metal-Oxide Semiconductor Circuit. Es el nombre de la tecnología de fabricación de circuitos. Del inglés Central Processor Unit, que significa unidad central de procesamiento. Del inglés Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Arbitration on Message Priority, que significa acceso múltiple a la portadora/detección de colisiones con arbitraje de mensaje prioritario. Conector RS232 de 25 pines. Conector RS232 de 9 pines. Del inglés Direct Current, que significa corriente directa. Del inglés Data Circuit-Terminating Equipment, que significa equipo de terminación de circuito de datos. Del inglés Dual In-line Package. Nombre empleado para el empaque de circuitos integrados cuya separación entre pines es de mm. Del inglés Digital Signal Processor, que significa Procesador Digital de señales. Del inglés Data Terminal Equipment, que significa equipo terminal de datos. Del inglés Electronic Control Unit.

15 ix EEPROM Del inglés Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory, que significa memoria de sólo lectura, programable y borrable eléctricamente. GPS Del inglés Global Positioning System, que significa sistema de posicionamiento global. I 2 C Del inglés Inter-Integrated Circuit. IC Del inglés Integrated Circuit, que significa circuito integrado. IR Del inglés Infra-Red, que significa Infra-Rojo. ISO Del inglés Internacional Organization for Standarization, que significa Organización Internacional para la Estandarización. LCD Del inglés Liquid Crystal Display, que significa pantalla de cristal líquido. LIN Del inglés Local Interconnect Network, que significa red de interconexión local. LPS Del inglés Local Positioning System, que significa sistema de posicionamiento local MOSFET Del inglés Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. NMOS Dispositivo de metal-óxido semiconductor de canal N. NRZ Del inglés Non Return to Zero. P Proporcional PC Del inglés Personal Computer, que significa computadora personal. PD Controlador Proporcional Derivativo. PI Controlador Proporcional Integral. PID Controlador Proporcional Integral Derivativo. PLL Del inglés Phase Locked Loop. PWM Del inglés Pulse Width Modulation, que significa modulación por ancho de pulso. RAM Del inglés Random Access Memory, que memoria de acceso aleatorio. RF Del inglés Radio-Frequency, que significa Radio Frecuencia. RPM Revoluciones Por Minuto.

16 x SCI Del inglés Serial Communication Interface, que significa interfaz serial de comunicación. SCL Señal de reloj del bus I 2 C. SDA Señal de datos del bus I 2 C. SPI Del inglés Serial Peripheral Interface, que significa interfaz serial periférica. TTL Del inglés Transistor Transistor Logic. Se refiere a la tecnología de circuitos integrados cuya lógica es 0-5V. USA Del inglés United States of America. USB Del inglés Universal Serial Bus, que significa Bus Serial Universal. UART Transmisor-Receptor Asíncrono Universal.

17 TÉRMINOS EN INGLÉS Ad hoc. Red que se crea espontáneamente, no requiere una infraestructura fija y está limitada en el espacio y en el tiempo. Bean. Módulo de configuración y administración de recursos del microcontrolador HC08 ó HC12 cuando se usa el programa CodeWarrior. Bluetooth. Protocolo inalámbrico de corto alcance para comunicaciones entre dispositivos electrónicos. Debugging. Procedimiento que se realiza cuando se hace una corrida en frío de un programa para microcontrolador con el fin de detectar errores en el código desarrollado. Driver. Nombre que se le da a dispositivos manejadores o controladores de otros sistemas. Generalmente manejan la corriente o las señales que dirigen a ese otro sistema. Dropout Voltage. Nombre que se le da a la diferencia de tensión mínima necesaria entra la entrada de un regulador lineal y su salida regulada para garantizar el correcto funcionamiento del dispositivo. Flash. Tipo de memoria no volátil que puede seguir almacenando la información a pesar de no tener fuente de alimentación. Full-duplex. Tipo de transmisión donde el canal es empleado bidireccionalmente, se puede escribir y leer en o del canal simultáneamente. Handshaking. Protocolo de saludo completo empleado en comunicaciones por bus. Half-duplex. Tipo de transmisión donde las transmisiones se realizan en ambos sentidos pero alternativamente, un solo sentido a la vez. High. Término empleado para decir que una señal se encuentra en un nivel lógico alto. Host. Se llama así al procesador que funciona como cerebro o controlador principal de un bus o sistema. Led. Diodo emisor de luz. Low. Palabra empleada para indicar que una señal lógica está en nivel bajo. Peer to peer. Comunicación entre iguales, par a par o de punto a punto. Simplex. Tipo de transmisión de datos que se produce en un solo sentido, sólo existe un emisor y un receptor y no pueden cambiar sus funciones.

18 Socket. Base que sirve de soporte para diversos circuitos integrados. Switch. Dispositivo conmutador. Transceiver. Dispositivo transmisor/receptor. xii

19 UNIDADES A Amperio ma mili Amperio B Byte KB Kilo Bytes bps bits por segundo Kbps Kilo bits por segundo Mbps Mega bits por segundo gr gramo Hz Hertz MHz Mega Hertz GHz Giga Hertz m metro cm centímetro mm milímetro pf pico Faradio V Voltio W Vatio mw mili Vatio Ω ohmio KΩ Kilo ohmio grado

20 1 INTRODUCCIÓN Desde que en la década de los 40 comenzaran los desarrollos de los robots como los que se conocen hoy en día gracias a las primeras computadoras, mucho ha sido el recorrido y desarrollo de la robótica. Las múltiples aplicaciones industriales que en un principio dieron origen al desarrollo de los robots, se han mantenido vigentes en el tiempo y aún más impresionante es el gran número de actividades cotidianas donde la robótica actualmente tiene campo de acción. Este campo de acción va desde la exploración espacial hasta el interior de los hogares de las personas donde los robots son capaces de realizar labores simples como mantener el césped de un jardín o aspirar el suelo. Sin duda, los dispositivos robóticos día tras día ocupan un mayor lugar en nuestras vidas. Gran parte de todo este incremento en el uso de aplicaciones robóticas de los últimos tiempos se debe a las mayores y mejores tecnologías destinadas al desarrollo de tales artefactos que le facilitan la vida al ser humano. Con más y mejores tecnologías es posible obtener logros de mayor envergadura en menos tiempo en esta área. Todo artefacto robótico comienza su desarrollo como un prototipo de laboratorio, como una plataforma robótica a la cual se le añaden capacidades, se le hacen pruebas, etc. El desarrollo y uso de plataformas robóticas en sí es la base para que los investigadores, estudiantes y demás miembros de equipos de investigación logren hacer realidad todas las aplicaciones, destrezas, capacidades y herramientas para robots que hasta ese momento sólo existían en sus mentes. La finalidad de este proyecto es facilitar la instrumentación de una plataforma para el desarrollo de aplicaciones robóticas en el Grupo de Mecatrónica de la Universidad Simón Bolívar.

21 1.1 Definición del problema 2 Se plantea el diseño y la construcción de un conjunto de tarjetas electrónicas destinadas a resolver algunos de los problemas típicos en el uso de plataformas robóticas. Debido a que cada plataforma desarrolla una aplicación en particular, se requiere de un sistema capaz de separarse en bloques, es decir, de un sistema modular. Dicho sistema debe poseer un módulo principal de procesamiento, así como un módulo de control de motores y un módulo de comunicaciones como bloques fundamentales involucrados en el desarrollo de estas aplicaciones. Además, se requiere que el sistema sea expandible, es decir, que dependiendo de la aplicación se puedan añadir otros módulos al mismo. 1.2 Justificación Las plataformas robóticas presentan en su implementación, análisis y uso, una serie de necesidades comunes, por lo que un sistema de control y comunicaciones que permita satisfacer estas necesidades resulta de gran utilidad. Si el sistema es estándar y modular aumenta su versatilidad permitiendo armar bloques de control a la medida de la aplicación y haciéndolo fácilmente expandible. En particular, el Grupo de Mecatrónica de la Universidad Simón Bolívar desea hacer uso de este sistema para instrumentar las plataformas que utiliza. 1.3 Objetivo general El objetivo general del proyecto consiste en lograr el diseño e implementación de un sistema de control y comunicaciones modular para plataformas robóticas. El sistema permitirá el control de movimiento de la plataforma, así como la forma de comunicación interna entre los módulos que la constituyen y con un sistema de control central u otras plataformas.

22 1.4 Objetivos específicos 3 - Seleccionar un bus de comunicaciones para interconectar a los módulos del sistema. - Implementar el módulo principal de procesamiento de datos. - Diseñar y desarrollar el módulo de control de motores, el cual permite el control del movimiento de la plataforma e incluye un bloque de alimentación del sistema. - Diseñar y desarrollar el módulo de comunicaciones del sistema, el cual permite la compatibilidad con protocolos estándar. 1.5 Recursos disponibles Se cuenta con las instalaciones del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Simón Bolívar. En el mismo se tienen disponibles equipos tales como: multímetro, computadora, módulos de programación de microcontroladores, tarjetas de desarrollo, osciloscopio, fuentes de alimentación, generadores de señales, módulo NI-ELVIS, entre otros.

23 2 MARCO TEÓRICO Según la Real Academia Española la robótica es la técnica que aplica la informática al diseño y empleo de aparatos que, en sustitución de personas, realizan operaciones o trabajos, por lo general en instalaciones industriales [1]. Si algo caracteriza a la robótica, es que para su puesta en práctica es necesario la convergencia e intervención de diversas áreas del conocimiento científico como la ingeniería mecánica, la electrónica, la computación, entre otras. Muchos de los conocimientos básicos inherentes a estas ciencias son necesarios para que en conjunto, logren la implementación de sistemas de control y dispositivos de comunicación que lleven a una plataforma robótica a ser lo más autónoma posible. Incluso dentro de la robótica existen diversas áreas de investigación y desarrollo cada una con conceptos claves para la ejecución de tales proyectos. En este capítulo se presenta una base teórica de los temas que se requieren conocer para poder desarrollar un sistema de control y comunicaciones para plataformas robóticas. Aunque algunos temas no se profundizan con detalle, la visión general de ellos es de gran ayuda para comprender el diseño y la implementación de los sistemas antes descritos. 2.1 Plataformas robóticas El término robot proviene del checo robota y de robotik que significa sirviente. Actualmente, según el Instituto Norteamericano de Robótica un robot es un manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programados y variables que permiten llevar a cabo diversas tareas [2]. Desde la antigua Grecia y durante el renacimiento se ha tenido un concepto sobre máquinas con forma humana al servicio de los seres humanos. Sin embargo, la concepción actual de un robot no tiene tanto que ver con la forma humana del mismo sino más bien con el propósito de cubrir las necesidades del hombre de la manera más eficiente posible.

24 5 El inicio de la robótica actual se puede marcar en el siglo XIX, cuando se realizó una máquina textil programable mediante tarjetas perforadas. Con la revolución industrial, muchos procesos requirieron la asistencia mecánica y así surgieron diversos brazos mecánicos, mecanismos programables para pintar con spray, tornos manejados por engranajes, etc. La construcción de un verdadero robot como lo conocemos hoy en día tuvo que esperar hasta la década de los 40 cuando se pudo emplear las primeras computadoras para su desarrollo. Los primeros robots industriales fueron los Unimates desarrollados por George Devol y Joe Engleberger, que junto con las primeras computadoras desarrolladas en el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) en el año 1946 permitieron que en 1954 Devol diera a conocer el primer robot programable y acuña el término autómata universal. Muchos han sido los avances en la robótica hasta llegar a la robótica de hoy, donde los robots se encuentran en los procesos industriales (centros de mecanizado), en las misiones espaciales (brazo robótico del transbordador espacial, vehículo de exploración Pathfinder enviado a Marte, entre otros), e incluso en nuestros hogares (Roomba y Robo Cleaner, que son aspiradoras inteligentes). Gran parte de todo este desarrollo se ha logrado gracias a la revolución que se ha llevado en la industria de semiconductores. Es el desarrollo de dispositivos cada vez más pequeños lo que ha permitido la integración de funciones y por lo tanto el aumento en las capacidades de procesamiento de información de cualquier desarrollo robótico. En esencia todos esos artefactos robóticos son plataformas robóticas Definición Las plataformas robóticas son robots elaborados con elementos y características de producción estándar, algunos son construidos para aplicaciones industriales y otros son utilizados para la investigación y la docencia. Como en general las plataformas robóticas son prototipos de investigación, éstos requieren que su estructura sea modular. Una plataforma robótica modular es una plataforma que está formada por múltiples partes (que pueden ser iguales o distintas entre sí) y que unen fuerzas para realizar tareas más complejas. Cada uno de los módulos debe encargarse de una tarea específica, debe tomar

25 6 decisiones locales para controlar las variables que posee bajo su mando y a la vez debe ser capaz de comunicarse con otros módulos para intercambiar información. Cada uno de los módulos, dependiendo de su función, puede o no estar gobernado por otro módulo maestro de control que, en algunos casos, es el encargado de tomar las decisiones más críticas. Si bien es cierto que existen plataformas robóticas de distintos tamaños, formas y con diversas funciones todas deben cumplir en conjunto ciertas características Características En 2004, Mark Yim, científico del Centro de Investigación Palo Alto, definió las tres características que debían cumplir los sistemas robóticos modulares. Estas características se presentan a continuación [3]: - Versatilidad. Los sistemas robóticos modulares deben adaptar sus funciones a los requerimientos de la tarea que vayan a ejecutar. Es decir, una plataforma robótica debe ser diseñada para que múltiples tareas de diversa índole puedan ser ejecutadas por ella. - Robustez. Su diseño debe garantizar la estabilidad del sistema, lo cual le permite permanecer aislada lo más posible de errores en su funcionamiento. - Viabilidad económica. El costo de la plataforma robótica debe ser lo más bajo posible de tal forma de garantizar la posibilidad de ser producida en serie. Obviamente, los costos varían dependiendo de las capacidades que se desean poseer en ella pero, el diseño siempre debe estar enfocado a cumplir con las necesidades de la manera más eficiente.

26 2.2 Comunicaciones Introducción a los protocolos de bus En su definición más simple, un bus es un canal de comunicación compartido que utiliza un conjunto de cables para interconectar múltiples subsistemas o módulos. Cada cable o línea transmite un único bit de información en un determinado momento. Un bus es un camino eléctrico común entre varios dispositivos [4]. Para que un dispositivo subsistema o módulo- pueda conectarse a un sistema, deben existir reglas que digan cómo funciona el bus; estas reglas constituyen el protocolo de bus. Básicamente, un protocolo es un acuerdo entre las partes en comunicación sobre cómo se debe llevar a cabo la comunicación [5]. De esta manera, un protocolo constituye entonces ese conjunto de reglas que posibilitan la transferencia de datos entre las partes de un sistema. Una de las principales desventajas a considerar a la hora de utilizar un bus es que puede suponer un cuello de botella, lo cual podría limitar la productividad máxima del sistema. Es por esto que se deben tomar como aspectos principales del diseño de un bus su anchura, temporización, arbitraje y operaciones. Cada una de estas cuestiones tiene un impacto considerable sobre la rapidez y ancho de banda del bus. El ancho de bus es el parámetro de diseño más obvio. Se refiere a la cantidad de líneas que el bus utiliza para transmitir la información. Los buses anchos necesitan más líneas que los angostos; además, ocupan más espacio físico y necesitan conectores más grandes. Todos estos factores hacen que el bus sea más caro. Por lo tanto, debe existir un equilibrio entre la cantidad máxima de líneas y el costo del sistema. Las líneas que componen un bus pueden clasificarse en tres grupos funcionales (Figura 2.1):

27 8 Figura 2.1. Esquema de clasificación de las líneas de bus según su función. - Las líneas de datos del bus proporcionan el camino para transmitir datos entre los módulos del sistema. El número de líneas del bus de datos determina el número máximo de bits que es posible transmitir al mismo tiempo. - Las líneas de dirección se utilizan para direccionar la fuente o el destino de los datos situados en el bus de datos. - Las líneas de control se emplean para gestionar el acceso y el uso de las líneas de datos y dirección, señalizando peticiones y reconocimientos e indicando qué tipo de información pasa por las líneas de datos. El rango de frecuencias que se transmiten sin atenuarse con fuerza a través del bus se conoce como ancho de banda. Hay dos formas de incrementar el ancho de banda de datos en un bus: reducir el tiempo de ciclo de bus (más transferencias por segundo) o incrementar la capacidad del bus de datos (más bits por transferencia). Es posible acelerar el bus, pero no es fácil porque las señales de las diferentes líneas viajan a velocidades ligeramente distintas, problema que se conoce como sesgo de reloj. Cuanto más rápido es el bus, más importante es el efecto del sesgo de reloj [4]. En este punto, cabe mencionar que un método de caracterizar las líneas, así como los dispositivos terminales, es por su modo de transmisión. Existen tres modos de transmisión de datos en un bus (Figura 2.2):

28 9 Figura 2.2. Clasificación de los modos de transmisión. - En la transmisión simplex, la transmisión de datos se produce en un solo sentido. Siempre existe un nodo emisor y un nodo receptor que no cambian sus funciones. - En la transmisión half-duplex, la transmisión de los datos se produce en ambos sentidos pero alternativamente, en un solo sentido a la vez. Si se está recibiendo datos no se puede transmitir y viceversa. - En la transmisión full-duplex, la transmisión de los datos se produce en ambos sentidos al mismo tiempo. Un extremo que esta recibiendo datos puede, al mismo tiempo, estar transmitiendo otros datos. Para aliviar el problema de los buses excesivamente anchos, algunos diseñadores optan por usar un bus compartido. En este diseño, no se tienen las líneas de dirección y datos por separado. Al principio de una operación de bus las líneas se usan para la dirección; más adelante, se usan para datos. El uso compartido de líneas reduce la anchura (y el costo) del bus, pero hace más lento al sistema. Los diseñadores tienen que sopesar cuidadosamente todas estas opciones al tomar sus decisiones. Los buses pueden dividirse en dos categorías según su temporización. Un bus síncrono tiene una línea alimentada por un oscilador de cristal. La señal de esta línea consiste en una onda cuadrada y todas las actividades del bus tardan un número entero de estos ciclos, llamados ciclos de reloj. El otro tipo de bus, el bus asíncrono, no tiene un reloj maestro. Los

29 10 ciclos de bus pueden tener la longitud que se requiera y no tiene que ser la misma en todos los pares de dispositivos. A continuación se presentan los dos tipos de buses: - El bus síncrono incluye entre sus líneas de control una señal de reloj. El protocolo para la comunicación es fijo y está gobernado por la señal de reloj; se asume que los envíos llegan correctamente. Como ventajas tiene que puede funcionar a gran velocidad y se puede implementar con un sistema secuencial sencillo, mientras que como inconveniente es de notar que no es adecuado para mezclar dispositivos con grandes diferencias de velocidad. Si un bus sincrónico tiene una colección heterogénea de dispositivos, algunos rápidos y otros lentos, el bus tiene que ajustarse al más lento, y los rápidos no podrán aprovechar todo su potencial. Su diseño tiene que ser muy cuidadoso. Puede presentar efecto del sesgo de reloj. - El bus asíncrono no incluye una señal de reloj. Las transmisiones de datos se coordinan con un protocolo de saludo completo (handshaking) entre emisor y receptor: un evento es causado por un evento anterior, no por un pulso de reloj. Como ventajas tiene que permite la conexión de dispositivos de un amplio rango de velocidades diferentes, escalan mejor tanto con el número de dispositivos como con los cambios tecnológicos en los mismos y, no hay problemas de sesgo de reloj, por lo que permite distancias más largas. Entre los inconvenientes se tiene que es más lento debido a la sobrecarga introducida para sincronizar a emisor y receptor, además, puede necesitar un cierto número de líneas de control adicionales para implementar el protocolo. Por último, cabe destacar que es más difícil predecir el tiempo que va a llevar una determinada transacción. Algo más que se debe considerar es algún mecanismo de arbitraje de bus. Algunos dispositivos que se conectan al bus son activos y pueden iniciar transferencias de bus, mientras que otros son pasivos y esperan solicitudes. Los activos se llaman maestros; los pasivos se llaman esclavos. El arbitraje de bus es la gestión del uso del bus por parte de múltiples maestros. Dos factores a tener en cuenta son la prioridad y la imparcialidad. A continuación una clasificación genérica de las técnicas de arbitraje [6]:

30 11 - En el arbitraje en serie la línea de concesión de bus recorre los dispositivos desde el más hasta el menos prioritario. Las prioridades se determinan así en función de la posición del dispositivo en el bus. - En el arbitraje paralelo centralizado se utilizan múltiples líneas de petición, por las que los diferentes dispositivos piden acceso al bus de forma independiente. Un árbitro centralizado selecciona uno de entre los dispositivos que han solicitado el bus y le notifica que ahora es el maestro del bus. - En el arbitraje distribuido por autoselección se emplean también múltiples líneas de petición de bus, pero ahora cada dispositivo determina de forma independiente si él es el solicitante de mayor prioridad sin necesidad de un árbitro. - En el arbitraje distribuido por detección de colisión cada dispositivo solicita de forma independiente el bus. En caso de múltiples peticiones simultáneas de bus se produce una colisión. Una vez detectada la colisión se aplica un esquema que determine el dispositivo que será maestro de bus entre las partes en colisión. Finalmente, se presenta una tabla comparativa de rendimiento vs. costo (Tabla 2.1), la cual resume los aspectos importantes a tomar en cuenta a la hora de las decisiones de diseño de un bus. Opción Alto rendimiento Bajo costo Ancho de bus Líneas de datos y direcciones independientes Líneas de datos y direcciones multiplexadas Ancho de bus Más ancho es más rápido Menos ancho es más barato Tamaño de transferencia Transferencia de bloques de múltiples palabras Transferencia de bloques de una palabra Maestros de bus Múltiples maestros Un único maestro Temporización Sincrónica Asincrónica Tabla 2.1. Rendimiento vs. costo a la hora de las decisiones de diseño.

31 2.2.2 Protocolos estándar Comunicación serial Existen dos tipos de transmisión: comunicación serial y en paralelo. En la comunicación serial los bits se transmiten uno a uno sobre una línea única, mientras que en la comunicación en paralelo los bits se transmiten en grupo sobre varias líneas al mismo tiempo. Esta situación hace que la comunicación en paralelo sea más rápida que la comunicación serial si ambas trabajan a una misma velocidad de transmisión. Ahora, si los bits individuales de una comunicación serial son transmitidos a una velocidad mucho mayor, ésta puede ser más rápida que la paralela. Hay varias razones por las cuales una comunicación serial es más ventajosa que una paralela. En la paralela, dado que varios bits tienen que ser transmitidos al mismo tiempo, es necesario un cable por cada bit. A la medida que se incrementa la cantidad de bits a transmitir simultáneamente, más cables son necesarios, haciendo que la construcción de cables y el diseño de las placas se haga más complicado. Además, cada cable individual actúa como una antena captando y produciendo ruido eléctrico, lo cual crea interferencia con su cable adyacente. En una comunicación serial son necesarios dos cables independientemente del número de bits, haciendo mucho más fácil de diseñar la comunicación entre dos dispositivos. Existe otro problema no tan evidente, a pesar de que en una comunicación en paralelo teóricamente todos los bits llegan simultáneamente, en la realidad no llegan exactamente al mismo tiempo. Esta pequeña diferencia de tiempo no afecta significativamente las transmisiones de baja velocidad, pero en los dispositivos de alta velocidad esta diferencia en la recepción hace que se tenga que perder tiempo esperando que todos los bits individuales lleguen antes de poder procesarlos ocasionando una importante caída en el rendimiento. Otra diferencia importante entre comunicación paralela y serial, es que por lo general las transmisiones paralelas son half-duplex mientras que las seriales son full-duplex. En otras palabras, en una comunicación en paralelo dado el alto número de cables necesarios para la transmisión/recepción se opta por usar el mismo camino para transmitir y luego recibir.

32 13 Las características más importantes de la comunicación serial son: la velocidad de transmisión, los bits de datos, los bits de parada, y la paridad. Para que exista comunicación, es necesario que las características sean iguales [7]. - La velocidad de transmisión indica el número de bits por segundo que se transfieren, y se mide en bits por segundo (bps). Cuando se hace referencia a los ciclos de reloj se está hablando de la velocidad de transmisión. Por ejemplo, si un protocolo hace una llamada a 2500 ciclos de reloj, entonces el reloj está corriendo a 2500Hz, lo que significa que se está muestreando las líneas de transmisión a 2500Hz. Es posible tener velocidades de transmisión altas, pero se reduciría la distancia máxima posible entre los dispositivos. Generalmente, se utilizan velocidades altas cuando los dispositivos se encuentran uno junto al otro. - Los bits de datos se refieren a la cantidad de bits en la transmisión. Cuando se envía un paquete de información, el tamaño de ese paquete no necesariamente es de 8 bits. Las cantidades más comunes de bits por paquete son 5, 7 y 8. El número de bits que se envía depende en el tipo de información que se transfiere. Un paquete se refiere a una transferencia de byte, incluyendo los bits de inicio/parada, bits de datos, y paridad. - Los bits de parada son usados para indicar el fin de la comunicación de un paquete. Debido a la manera como se transfiere la información a través de las líneas de comunicación y que cada dispositivo tiene su propio reloj, es posible que los dos dispositivos no estén sincronizados. Por lo tanto, los bits de parada no sólo indican el fin de la transmisión sino además dan un margen de tolerancia para esa diferencia de los relojes. Mientras más bits de parada se usen, mayor será la tolerancia a la sincronía de los relojes, sin embargo la transmisión será más lenta. - La paridad es una forma sencilla de verificar si hay errores en la transmisión serial. Existen cuatro tipos de paridad: par, impar, marcada y espaciada. La opción de no usar paridad alguna también está disponible. Para paridad par e impar, se fija el bit de paridad (el último bit después de los bits de datos) a un valor para asegurarse que la transmisión tenga un número par o impar de bits en nivel lógico alto. Por ejemplo, si la información a transmitir es 011 y la paridad es par, el bit de paridad sería 0 para mantener el número de bits en nivel lógico alto como par. Si la paridad seleccionada

33 14 fuera impar, entonces el bit de paridad sería 1, para tener tres bits en nivel lógico alto. La paridad marcada y espaciada en realidad no verifican el estado de los bits de datos; simplemente fija el bit de paridad en nivel lógico alto para la marcada, y en nivel lógico bajo para la espaciada. Esto permite al dispositivo receptor conocer de antemano el estado de un bit, lo que serviría para determinar si hay ruido que esté afectando de manera negativa la transmisión de los datos, o si los relojes de los dispositivos no están sincronizados. La comunicación serial es una forma de transportar datos con un mínimo de líneas. Esta modalidad se introdujo con la aparición de los microcontroladores, para permitir una comunicación con periféricos externos con el mínimo posible de líneas. Los fabricantes han ido integrando protocolos de comunicación serial dentro de los microcontroladores. Si un microcontrolador no tiene ningún tipo de protocolo de comunicación, también se puede implementar por software, utilizando las líneas necesarias en un puerto de entrada/salida. Estos protocolos pueden ser de dos tipos: para la comunicación de circuitos electrónicos dentro de un mismo equipo y para la comunicación entre equipos electrónicos. Entre los protocolos de comunicación de circuitos electrónicos dentro de un mismo equipo se tienen como más representativos el I 2 C, el SPI y el SCI. Mientras en la comunicación entre equipos electrónicos se tienen el RS232, el CAN, el LIN y el USB SPI SPI significa interfaz serial periférica, por sus siglas en inglés Serial Peripheral Interface. Es un sistema de comunicación serial entre periféricos, de bajo costo y velocidad para comunicaciones de corta distancia, como por ejemplo, entre pequeños procesadores y sus periféricos. Es un sistema full-duplex, muy fácil de implementar entre dos hosts. Si se utiliza para más de dos hosts, empieza a perder sus ventajas, en este caso el protocolo I 2 C funciona mejor. Sin embargo, SPI es capaz de ofrecer tasas de transmisión mayores, pudiendo llegar a las decenas de MHz [8].

34 15 El sistema está formado por un componente maestro y uno o más componentes esclavos. El maestro, se define normalmente como un microcontrolador provisto de un reloj, y los esclavos, como cualquier circuito integrado, los cuales reciben el reloj del maestro. SPI, es una interfaz serial síncrona de cuatro hilos, la comunicación de datos se activa mediante una señal baja, aplicada en la entrada de la línea de selección de esclavo (SS). Los datos, se transmiten mediante tres conexiones: conexión para la entrada de datos serie (MOSI), la de salida de datos (MISO) y la señal de reloj (SCLK). La Tabla 2.2 presenta un resumen de estas señales. Señal SCLK MOSI MISO SS Descripción Signal Clock, señal de reloj Master Out Slave In, maestro sale esclavo entra Master In Slave Out, maestro entra esclavo sale Slave Select, selección de esclavo Tabla 2.2. Señales del sistema SPI. El maestro, genera una señal de reloj y la envía a los esclavos. La línea de selección de esclavo se utiliza para indicar con que esclavo se está intentando comunicar el maestro. En la Figura 2.33 se muestra el caso de un maestro con más de un esclavo. Como se puede ver, todas las señales excepto la de selección de esclavo son comunes a todos los esclavos, por eso, el maestro debe indicar cual de los esclavos está activo durante la comunicación.

35 16 Figura 2.3. Caso de un maestro con más de un esclavo. Es de notar, que con más de uno o dos esclavos, el número de salidas del maestro y el número de pistas en la placa, serian demasiadas para justificar el uso de este protocolo. La comunicación entre el maestro y los esclavos funciona como procede: 1. El maestro pone en nivel bajo la línea de selección de esclavo del esclavo con el que quiere interactuar. Esto indica al esclavo, que debe prepararse para iniciar la comunicación. 2. El maestro, genera la señal de reloj de acuerdo con el modo SPI. Tanto el maestro como el esclavo transmiten un bit por ciclo de reloj. 3. Después de un byte, el maestro pone la línea de selección de esclavo en nivel alto SCI SCI significa interfaz de comunicación serial, por sus siglas en inglés Serial Comunication Interface. Es un protocolo de comunicación serial asíncrono, full-duplex, que tienen muchos microcontroladores, donde el usuario puede controlar la velocidad de transmisión. Las señales utilizadas son RxD y TxD. Normalmente este tipo de interfaz la incorporan los microcontroladores y los DSP.

36 17 Utiliza en muchos casos una conexión directa entre dispositivos y transmite mientras recibe, es el caso típico de la conexión entre dispositivos dentro de un mismo equipo. Pero también puede tener que comunicar a cierta distancia pudiendo utilizar un driver a RS232, por ejemplo. En la Figura 2.44 se puede observar un esquema de conexión directa entre dispositivos a través del SCI. Figura 2.4. Esquema de conexión directa entre dispositivos a través del SCI. El esquema mostrado en la figura anterior se conoce como comunicación punto a punto full-duplex, pero también se puede hacer un montaje multi-punto half-duplex con una sola línea, un maestro y múltiples esclavos. Para evitar conflictos se dejan, por defecto, los receptores habilitados y los transmisores desactivados como se puede ver en el esquema de la Figura Figura 2.5. Esquema de conexión multipunto half-duplex con una sola línea. Se puede realizar otro montaje multipunto full-duplex con dos líneas, un maestro y múltiples esclavos, utilizando un seguidor en la salida de cada transmisor de los esclavos [9]. En la Figura 2.66 se muestra el esquema de este montaje. Figura 2.6. Esquema de conexión multipunto full-duplex con dos líneas.

37 RS RS232 es una interfaz que designa una norma para el intercambio serial de datos binarios entre un DTE (equipo terminal de datos) y un DCE (equipo de terminación de circuito de datos), aunque existen otras situaciones en las que también se utiliza la interfaz RS232. En particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro tipo de equipamientos, como pueden ser computadoras. Evidentemente, en el caso de interconexión entre los mismos, se requerirá la conexión de un DTE con otro DTE. El RS232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines), aunque es normal encontrar la versión de 9 pines (DB-9). El conector DTE debe ser macho, mientras que el conector DCE es hembra. La interfaz RS232 está diseñada para distancias cortas, de unos 15 metros o menos, y para velocidades de comunicación bajas, de no más de 20Kbps. A pesar de ello, muchas veces se utiliza a mayores velocidades con un resultado aceptable. La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half-duplex o full-duplex. Las líneas de handshaking de la RS232 se usan para resolver los problemas como en qué dirección los datos deben viajar en un instante determinado. Si un dispositivo de los que están conectados a una interfaz RS232 procesa los datos a una velocidad menor de la que los recibe deben de conectarse las líneas handshaking que permiten realizar un control de flujo tal que al dispositivo más lento le de tiempo de procesar la información. Las líneas que permiten hacer este control de flujo son las líneas RTS y CTS. Los diseñadores del estándar no concibieron estas líneas para que funcionen de este modo, pero dada su utilidad cada en interfaz posterior se incluye este modo de uso. Las UART (Transmisor-Receptor Asíncrono Universal) se diseñaron para convertir las señales que maneja la CPU y transmitirlas al exterior. Las UART deben resolver problemas tales como la conversión de voltajes internos del DCE con respecto al DTE, gobernar las señales de control, y realizar la transformación desde el bus de datos de señales en paralelo a serie y viceversa. Debe ser robusta y deberá tolerar circuitos abiertos, cortocircuitos y escritura simultánea sobre un mismo pin, entre otras consideraciones. Es en la UART en donde se implementa la interfaz.

38 19 Los valores de voltaje se invierten desde los valores lógicos. Las señales se considerarán en el estado de MARCA, (nivel lógico 1 ), cuando el voltaje sea más negativo que - 3V con respecto a la línea de tierra. Las señales se considerarán en el estado de ESPACIO, (nivel lógico 0 ), cuando el voltaje sea más positivo que +3V con respecto a la línea de tierra. La gama de voltajes entre -3V y +3V se define como la región de transición, donde la condición de señal no está definida. La magnitud máxima del voltaje que maneja el driver de la interfaz es de 15V. En la práctica se utilizan +12V y -12V [10]. Para los propósitos de la RS232 estándar, una conexión es definida por un cable desde un dispositivo al otro. Hay 25 conexiones en la especificación completa, pero es muy probable que se encuentren menos de la mitad de éstas en una interfaz determinada. La causa es simple, una interfaz full-duplex puede obtenerse con solamente 3 cables. Las señales del conector DB- 9 se muestran en la Figura DCD RD TD DTR SG DSR RTS CTS RI Data Carrier Detect, portadora de datos detectada Receive Data, datos de recepción Transmit Data, datos de transmisión Data Terminal Ready, terminal de datos listo Signal Ground, señal de tierra Data Set Ready, datos prepadados Request To Send, petición de envío Clear To Send, listo para envío Ring Indicator Figura 2.7. Asignación de pines en el conector DB CAN CAN significa red de área de control, de sus siglas en inglés Controller Area Network. Es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH, el cual se ha estado utilizando desde 1992 por Mercedes Benz. Inicialmente su uso fue para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La red trabaja bajo un esquema

39 20 maestro/esclavo, pudiendo trabajar hasta ocho estaciones por bus. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standarization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1Mbps) destinada para controlar el motor e interconectar la unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125Kbps) dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos. La información circula por dos cables trenzados que unen todas las unidades de control que forman el sistema. Es importante tener en cuenta que el trenzado entre ambas líneas sirve para anular los campos magnéticos, por lo que no se debe modificar en ningún caso ni el paso ni la longitud de dichos cables. La transmisión es de tipo half-duplex. Cada cable lleva una señal, CAN_H (High) y CAN_L (Low) que son complementarias (180 diferencia); a la vez cada señal utiliza dos niveles lógicos conocidos como dominante (0) y el recesivo (1). La información se trasmite por diferencia de tensión entre los dos cables, de forma que un valor alto de tensión representa un 1 y un valor bajo de tensión representa un 0. La combinación adecuada de unos y ceros conforman el mensaje a trasmitir. La impedancia de cada segmento es de 60Ω y la impedancia característica de los terminadores sería por lo tanto de 120Ω. Los terminadores son resistencias conectadas a los extremos de ambos cables del protocolo y permiten adecuar el funcionamiento del sistema a diferentes longitudes de cables y número de unidades de control abonadas, ya que impiden fenómenos de reflexión que pueden perturbar el mensaje [11]. Si falla alguna estación (controlador) el bus continua a disposición de los otros participantes. Como método de acceso al medio utiliza CSMA/CD+AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Arbitration on Message Priority, Detector de Portador de Múltiple Acceso con Detector de Colisión). Este protocolo verifica si el bus está ocupado antes de transmitir y permite que múltiples nodos puedan transmitir y recibir al mismo tiempo. Cuando ocurre una colisión de mensajes en el bus, empieza el arbitraje para la recepción del mensaje. El mensaje de prioridad más alto se recibe primero y así sucesivamente, hasta que todos los mensajes hayan sido recibidos. Finalmente cabe mencionar que CAN utiliza una codificación NRZ (Non Return to Zero).