EL LORO HUASTECO Órgano de Divulgación Científica y Tecnológica del Instituto Tecnológico Superior de Pánuco

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1 EL LORO HUASTECO Órgano de Divulgación Científica y Tecnológica del Instituto Tecnológico Superior de Pánuco Tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores Manuel Antonio Arenas Méndez y Alda Nelly Aradillas Ponce Instituto Tecnológico Superior de Pánuco Contacto: manuel.arenas@itspanuco.edu.mx Resumen La falta de equipamiento para el desarrollo de prácticas de laboratorio de las materias de microcontroladores y afines de las carreras de Ingeniería Electrónica e Ingeniería en Sistemas Computacionales del Instituto Tecnológico Superior de Pánuco complica en gran medida la asimilación de los alumnos del conjunto de conocimientos marcados por los planes de estudio de dichas materias. El diseño y desarrollo de un prototipo de tarjeta electrónica didáctica para el aprendizaje de microcontroladores representa una gran oportunidad para la solución de dicha problemática al facilitar en gran medida la implementación de prácticas y aplicaciones de microcontroladores por parte de los alumnos. Diciembre del 2013 Instituto Tecnológico Superior de Pánuco, Pánuco, Veracruz, México

2 Introducción De forma tradicional la realización de prácticas de laboratorio de microcontroladores (Valdés y Pallas, 2004) requiere de varios elementos tales como: microcontrolador, programador de microcontroladores, tablilla de experimentación. La integración de estos elementos no siempre resulta ser del todo optima ya sea por problemas de software del programador de microcontroladores o montajes ineficientes del circuito de prueba del microcontrolador en la tablilla de experimentación dando como resultado que los alumnos pierdan más tiempo en la realización de ajustes que en el desarrollo de sus prácticas y ni mencionar los inconvenientes para la realización de prototipos. El presente documento describe el diseño, desarrollo y pruebas de campo de una tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores la cual cuenta con programador y microcontrolador integrados. La tarjeta se conecta al puerto USB de una computadora desde la cual se descarga al microcontrolador, de forma directa, el código de programación realizado por los alumnos. Es importante señalar que el diseño de la tarjeta permitirá a los alumnos el realizar un montaje fácil y dinámico tanto en tablillas de experimentación como en prototipos. Antecedentes El uso de tarjetas electrónicas didácticas para realizar prácticas, proyectos y aplicaciones de microcontroladores se ha vuelto muy popular actualmente. Los principales fabricantes de microcontroladores tales como Microchip, Atmel y Freescale, por mencionar algunos, así como empresas de desarrollo particulares, CCS INC, Arduino, Pingüino, etc., cuentan con kits de desarrollo, hardware y software, para la elaboración de prácticas basadas en microcontroladores. Algunos de estos productos llegan a ser tan populares que incluso se han formado comunidades en internet, la mayoría en idioma inglés, que ofrecen contenidos y apoyo didácticos a los usuarios. En el cuadro se describen brevemente algunas de las tarjetas electrónicas didácticas para realizar prácticas de microcontroladores disponibles en el mercado nacional e internacional. 2

3 Cuadro 1. Descripción de tarjetas electrónicas didácticas para uso en prácticas de microcontroladores. MODELO FABRICANTE CARACTERISTICAS Microstick (dspic33f, PIC24H) MICROCHIP Proporciona un entorno de desarrollo económico y de fácil manejo para los microcontroladores de 16 bits y microcontroladores de procesamiento digital de señales. Cuenta con programador-depurador integrado. ARDUINO UNO Kit de desarrollo PIC18F4520 PINGÜINO ARDUINO CCS INC PINGÜINO Se puede utilizar de forma independiente o conectada a una placa de prototipo para un desarrollo extremadamente flexible. Plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Kit que contiene todo lo necesario para el desarrollo de aplicaciones con la familia PIC18 de Microchip. La tarjeta de desarrollo utiliza un microcontrolador PIC18F4520. Tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores con un PIC 18F2550 de Microchip. El objetivo de esta tarjeta es construir un entorno de desarrollo integrado fácil de usar en Linux, Windows y MAC OS X. La programación de esta tarjeta utiliza el mismo set de instrucciones desarrolladas para las tarjetas Arduino. Método El método empleado para la realización del proyecto consiste de: 1. Documentación de productos similares en el mercado mediante el desarrollo del estado del arte. 2. Selección de los componentes electrónicos necesarios con base a la información proporcionada por la documentación técnica ofrecida por fabricantes de microcontroladores tales como Microchip Technology Inc, Atmel Corporation, entre otros. 3. Análisis de costos para la verificación de la factibilidad del proyecto. 4. Diseño y construcción de la tarjeta impresa para el montaje de los componentes. 5. Desarrollo del software para la programación de la tarjeta electrónica. 6. Integración de componentes y prueba de funcionamiento. 7. Desarrollo de un manual de prácticas. 3

4 8. Análisis comparativo de desempeño entre la tarjeta electrónica didáctica y dispositivos de características similares disponibles en el mercado. 9. Evaluación de desempeño en laboratorio de la tarjeta electrónica didáctica mediante un grupo de prueba de docentes y alumnos. Resultados A continuación se listan los resultados obtenidos. 1. Determinación de los componentes necesarios para la elaboración de la tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores, cuadro 2. Cuadro 2. Listado de componentes electrónicos requeridos para el diseño y desarrollo de la tarjeta electrónica didáctica. Componentes electrónicos Cantidad Descripción 1 Microcontrolador 18F Cristal 20 MHz 1 Led 1 Capacitor de 0.1uf 2 Capacitor de 22pf 2 Microswitch 1 Resistencia de Resistencia de 10k 4 Headers 1 Conector usb 1 Base circuito integrado 2. Solicitud y obtención de las sublicencias Universal Serial Bus VID/PID ante la compañía Microchip, empresa que fabrica el microcontrolador empleado en la tarjeta electrónica didáctica. 3. Diseño, desarrollo y montaje de un prototipo de prueba de la tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores en PCB maquilado en CNC (Fig. 1). Las pruebas realizadas en este prototipo resultaron altamente satisfactorias. 4

5 Fig 1.- Prototipo ensamblado inicial de la tarjeta electrónica. 4. Diseño y desarrollo del software para la programación de la tarjeta electrónica. Con este software se realiza la descarga del código del programa creado por el alumno a la tarjeta electrónica para su ejecución (Fig. 2). Fig 2.- Captura de pantalla del software de carga de la tarjeta electrónica. 5. Desarrollo e impartición de un curso sobre el diseño y funcionamiento de la tarjeta electrónica didáctica, denominado Lotus Trainer, para los alumnos de 6to. y 8vo. semestre de la carrera de Ingeniería Electrónica en el Congreso Internacional de Ingeniería, Ciencias Administrativas y Contables efectuado los días 18 y 20 de mayo del Diseño y desarrollo de la tarjeta electrónica en formato gerber para maquinado del PCB en formato industrial, La calidad del PCB es excelente (Fig. 3). Fig 3.- PCB obtenido por el rediseño y maquilado de tarjeta electrónica. 7. Diseño de códigos de prácticas para la tarjeta electrónica didáctica, un manual de prácticas se encuentra en etapa de desarrollo. 8. Desarrollo e impartición de un curso de entrenamiento en microcontroladores empleando la tarjeta electrónica didáctica, denominado Microcontroladores

6 Tarjeta Lotus Trainer, para los alumnos de la carrera de Ingeniería en Sistemas Computacionales en el marco del congreso Construyendo Ambientes Digitales a través de la Web efectuado del 8 al 11 de noviembre del Con los recursos obtenidos durante la realización de los cursos en el ITSP se financio la maquinación y adquisición de componentes para el armado de 50 kits de tarjetas electrónicas (Fig. 4), 30 kits se entregaron a los alumnos de electrónica durante el taller impartido durante el Congreso Internacional de Ingeniería, Ciencias Administrativas y Contables, 10 kits al Dpto. de I.S.C. durante el taller del congreso Construyendo Ambientes Digitales a través de la Web y 10 kits al Laboratorio de I.E. Fig 4.- Producto final de la tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores. La versión final de la tarjeta electrónica comparte las principales características técnicas de algunos dispositivos similares disponibles en el mercado tales como Arduino, Microchip, entre otros. A modo de complementar el presente trabajo de investigación se ha implementado un sitio web, para la difusión y soporte a los alumnos usuarios de la tarjeta electrónica didáctica. Actualmente se trabaja en la elaboración y publicación del contenido de dicho sitio. Conclusiones La tarjeta electrónica didáctica para el desarrollo de prácticas de microcontroladores se ha empleado con gran éxito en cursos de actualización para los alumnos de Ingeniería Electrónica del Instituto Tecnológico Superior de Pánuco herramienta didáctica principal para la asignatura de Microprocesadores y Microcontroladores II. Actualmente se encuentra pendiente de realizar el análisis comparativo de desempeño entre la tarjeta 6

7 electrónica didáctica y algunos dispositivos de características similares disponibles en el mercado. Literatura citada García-Breijo, E USB-Universal Serial Bus. Descargado el 12 de diciembre de 2012, desde: Compilador C CCS y Simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC. Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México Rawin Rojvanit, Microchip Technology Inc. descargado el 11 de Diciembre del 2012, desde: < Migrating Applications to USB from RS-232 UART with Minimal Impact on PC Software. Microchip Technology Inc>. Rojvanit, R Instructablets, descargado el 10 de diciembre del 2012 desde:< 4&appnote=en021631>. Schlunder, E High-Speed Serial Bootloader for PIC16 and PIC18 Devices. Microchip Technology Inc. Descargado el 17 de diciembre del 2012 desde: 4&appnote=en546974>. Valdés, F. y R. Pallas Migrating Applications to USB from RS-232 UART with Minimal Impact on PC Software. MARCOMBO, S.A. 7