Informática Industrial Parte I

Transcripción

1 Facilitadores MsC. Jesús Pérez A. Dr. Eladio Dapena Gonzalez Contenido Microprocesadores Arquitecturas PIC 2 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 1

2 3 Dentro del campo de la producción industrial, la automatización ha pasado de ser una herramienta de trabajo deseable a una herramienta indispensable para competir en el mercado globalizado. Ningún empresario toma a la ligera la automatización de sus procesos para aumentar la calidad de sus productos, reducir los tiempos de producción, realizar tareas complejas, reducir los desperdicios o las piezas mal fabricadas, aumentar la productividad, etc. 4 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 2

3 La informática industrial se ha convertido en los últimos tiempos en compañera inseparable de la automatización industrial. Al lado de un PLC (Controlador Lógico Programable) aparece un ordenador que, por ejemplo, ejecuta una aplicación de supervisión; es más, rara es la planta actual cuyos elementos no se encuentren unidos por buses de campo industriales. 5 Rama de la ingeniería que integra y unifica el campo industrial a la informática por la necesidad de estos dos campos se ve necesario mas para procesos de control y fabricación, que se adentran al campo de la Robótica, programación de PIC, Los PLC, la automática, comunicaciones industriales, Domótica, Edificios inteligentes. (Extracto de documento de ingeniería industrial-universidad de Palermo) Sensores Informática Industrial Proceso Actuadores 6 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 3

4 Instrumentación Control Informática Automatización 7 El uso de dispositivos electrónicos avanzados para automatización, control, y supervisión tanto en la Industria Civil como en la Militar, ha sido acompañado desde sus primeras etapas por sistemas programables de diferente complejidad. vs otras informáticas Fiabilidad El sistema siempre debe funcionar No se utiliza el ordenador más moderno Tolerancia a fallos Tiempo real Tiempos de respuesta pequeños Ordenador + software PLC Micro 8 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 4

5 Micro-procesadores 9 Microprocesadores Microprocesador Es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios. Bus de Direcciones µp Bus de Datos Bus de Control MEMORIA CONTROLADOR 1 CONTROLADOR 2 Periféricos Periféricos 10 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 5

6 Microprocesadores Arquitecturas La arquitectura de un procesador consiste en el conjunto de características que lo identifican. Describe de manera resumida las capacidades y posibilidades de operación del microprocesador. Se clasifican según Hardware y Software Hardware Von Neuman Segmentada Hardware Software CISC RISC CRISC 11 Arquitectura Hardware: Von Neumann Existe una sola memoria, donde coexisten las instrucciones de programa y los datos, accedidos con un bus de dirección, uno de datos y uno de control. Máquina secuencial Ejecuta solo una operación a la vez Bus de datos y direcciones compartidos Lenta Generalmente se combina con software tipo CISC Algunas familias de microcontroladores como la INTEL-51 y la Z80 Limitación Longitud de las instrucciones por el bus de datos (varios accesos a memoria para instrucciones complejas). Velocidad de operación (bus único para datos e instrucciones) e impide superponer ambos tiempos de acceso. 12 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 6

7 Arquitectura Hardware: Von Neumann 13 Arquitectura Hardware: Segmentada Máquina secuencial Buses de datos y direcciones compartidos Diseño multi-etapa (Pipeline) El diseño multi-etapa le permite ejecutar más de una operación a la vez. Se encuentra combinada con software CISC y en pocas ocasiones con RISC. Más rápida que Von Neuman 14 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 7

8 Arquitectura Hardware: Harvard Memoria de datos separada de la memoria de instrucciones Palabra de datos Palabra de instrucción Conjunto reducido de instrucciones (RISC) Ejecución de instrucciones en un ciclo de instrucción. Paralelismo implícito, segmentación del procesador (pipe-line) Utilizada en sistemas embebidos en general. 15 Arquitectura Hardware: Harvard 16 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 8

9 Arquitectura Software: CISC Complex Instruction Set Computer Set de instrucciones grande Ofrece una amplia gama de operaciones Facilita el trabajo de programación Reduce el tamaño del código de programa Incrementa el costo de aprender la programación 17 Arquitectura Software: RISC Reduced Instructio Set Computer Pocas instrucciones Más fácil de aprender el método de programación Mayor tamaño del código de programa Arquitectura Software: CRISC Complex-Reduced Instruction Set Computer Combinación de CISC con RISC 18 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 9

10 19 Micro-Controlador Es un sistema cerrado que contiene un computador completo. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y solo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos. Periféricos µc Periféricos Cada fabricante de oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más sofisticados. 20 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 10

11 Micro-Controlador Un Micro-Controlador posee todos los componentes de un computador, pero con unas características fijas que no pueden alterarse: Procesador Memoria de programa (No volátil) Memoria datos (lectura y escritura) Líneas E/S para los controladores de periféricos Recursos auxiliares 21 Sistema electrónico que integra las capacidades de una arquitectura especifica de microprocesador, junto con las capacidades de acople a otros sistemas que brindan los periféricos, todo, en un solo empaquetado. Se logra integración, disminución del costo en implementación de aplicaciones especificas. El alto rendimiento que poseen los microcontroladores se debe a la combinación de tres técnicas: Arquitectura Harvard Arquitectura RISC Segmentación 22 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 11

12 Ventajas Reducción de la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado. Reduce el costo de implementación. Permite desarrollo de aplicaciones especificas de manera mas rápida y eficiente. Los fabricantes dan mucho soporte sobre las aplicaciones más comunes. Se adaptan mejor a aplicaciones especificas 23 Arquitectura Interna 24 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 12

13 Recursos Auxiliares Conversores AD y DA. USART RTC Otros puertos de comunicación (USB, CAN) Modulador de ancho de pulsos (PWM) Temporizadores y contadores. Comparadores Sistema de protección. Estado de reposo 25 Recursos Auxiliares ADC ( Convertidor Analógico Digital ) Permite que el sistema microcontrolador pueda procesar una variable analógica Valor mínimo y máximo ajustable Resolución: indica la precisión de la conversión realizada Entre más cantidad de bits, más es la resolución del convertidor Requieren configuración a través de registros especiales del microntrolador USART (ADDRESSABLE UNIVERSAL SYNCHRONOUS ASYNCHRONOUS RECEIVER TRANSMITTER) Permite conexión serie a otros dispositivos Se configura a través de registros internos. Velocidad de transferencia variable Formato de la trama variable Puede manejarse a través de interrupciones 26 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 13

14 Recursos Auxiliares RTC ( Real Time Clock ) Puertos Entrada / Salida Unidireccionales o bidireccionales Se configuran a través de un registro especifico Debe estar mapeados El acceso es por por medio de una dirección Pueden ser TTL, CMOS, ST, según sea el dispositivo con el que se comunican. PWM ( Pulse-width Modulation ) USB 27 Memoria Memoria de Programa Diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. ROM Se graba durante el proceso de fabricación mediante el uso de máscaras. Para series muy grandes. OTP (One Time Programmable) Sólo se puede grabar una vez por parte del usuario. Prototipos finales. EPROM Borrado y Grabado. EEPROM Grabado eléctricamente, de ciclos de escritura/borrado. FLASH Similar EEPROM con mayor capacidad de almacenamiento 28 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 14

15 Memoria Memoria de Datos Memoria volátil destinada a guardar las variables y los datos (SRAM). Algunos disponen de memoria EEPROM para contener datos. Registros y Bits Un registro es una posición de memoria en la cual se puede almacenar un dato. Es decir que la memoria esta dividida en pequeñas partes llamadas Registros. El primer registro de una memoria corresponde a la dirección 00H. Hay un conjunto de registros que ya vienen Predefinidos desde la fábrica. 29 Líneas de Entrada / Salida Los cuentan con una serie de pines destinados a entrada y salida de datos o señales digitales. A estos pines se les denomina Puerto. Los puertos están controlados por los registros. Entradas y salidas de propósito general, trabajando con dispositivos simples como relés, Leds, etc. 30 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 15

16 Aplicaciones Sistemas de Monitoreo y control de variables analógicas Automatización industrial Computadoras de uso especifico Sistemas de desarrollo y experimentación Sistemas embebidos Robótica 31 Fabricantes Microchip: Familas de PIC s Arquitecturas RISC, Harvard Motorola: Familia 68XX Arquitecturas CISC, segmentada Intel: Familias 80XX Arquitecturas CISC, Von Neuman NEC Freescale Atmel 32 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 16

17 Fabricantes Hitachi NXP-Phillips Texas Instruments - National Semiconductor Holteck Zilog 33 PICs 34 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 17

18 PICs Los 'PIC' son una familia de micro-controladores con procesador tipo Segmentado, arquitectura Harvard y arquitectura de software RISC, fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments. PIC Peripheral Interface Controller. El PIC de 8 bits se desarrollo en el año 1975 Con esos recursos y características los PIC, son capaces de ejecutar en un único ciclo de instrucción, todas el conjunto de instrucciones, excepto las de salto que tardan el doble. 35 PICs La Familia de los PIC Se divide en cuatro gamas: Enana, Baja, Media y Alta. Sus diferencias radica en: El numero de instrucciones y longitud El número de puertos Funciones. Nomenclatura PIC nnlllxxx nn: Un número propio de la gama del PIC LLL: Código de letras donde la primera indica la tensión de alimentación y las otras dos el tipo de memoria que utiliza xxx: Número que indica el modelo del PIC. 36 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 18

19 PICs Nomenclatura PIC nnlllxxx 37 PICs Gama Enana PIC 10FXXX, de 6 patas (pines) 38 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 19

20 PICs Gama Enana PIC 12FXXX, de 8 patas (pines) Aunque solo tienen 8 pines, puede destinar hasta 6 como líneas de E/S para los periféricos porque disponen de un oscilador interno R-C. 39 PICs Gama Baja - Media PIC 16FXXX, 16LFXXX, 16HVXXX, De 8, 14, 18, 20, 28, 40, 64 patas (pines) Mejores relaciones coste/prestaciones. Pueden alimentarse con una tensión 2.5V 33 instrucciones con formato de 12bits. (Gama Baja) 35 instrucciones con formato de 14bits. (Gama Media) 40 Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 20

21 PICs Gama Alta PIC 18FXXX De 18, 20, 28, 40, 44, 64, 80, 100 patas (pines) 58 instrucciones de 16 bits Sistema de gestión de interrupciones vectorizadas Incluyen variados controladores de periféricos, puertas de comunicación serie y paralelo Arquitectura abierta. 41 Facilitadores MsC. Jesús Pérez A. Dr. Eladio Dapena Gonzalez Dr. Eladio Dapena G / MsC. Jesus Perez.A. 21