Ingeniería Electrónica SDJ 1205

1.- DATOS DE LA ASIGNATURA Nombre de la asignatura: Carrera: Clave de la asignatura: (Créditos) SATCA 1 Comunicaciones entre Sistemas Embebidos Ingeniería Electrónica SDJ 1205 4 2 6 2.- PRESENTACIÓN Caracterización de la asignatura. Actualmente en la mayoría de los sistemas industriales que requieren del monitoreo y control de procesos se realizan a través del establecimiento de redes de comunicación entre diferentes sistemas embebidos, pudiendo ser estos: FPGAs, microcontroladores, DSPs o SBC. Las redes entre sistemas embebidos se encuentran comúnmente en automóviles, procesos químicos, aviones y diferentes procesos industriales. Por lo anterior se establece el programa de esta asignatura dentro del módulo de especialidad de la carrera de Ingeniería Electrónica, para que el alumno adquiera los conocimientos, habilidades y destrezas necesarias que le permitan comunicar sistemas embebidos para el monitoreo y control de procesos. La materia se encuentra relacionada con las otras materias de la especialidad, y establece continuidad con la materia de Interfaces, iniciando el estudio de la interfaz RS485, la cual sigue utilizándose ampliamente en la comunicación serial de equipo de monitoreo y control de procesos. En el mismo sentido se parte de las habilidades y conocimientos que el alumno obtuvo en las materias de FPGAs e Interfaces, para que adquiera las competencias que le permitan implementar redes de comunicaciones entre diferentes sistemas embebidos. 1 Sistema de asignación y transferencia de créditos académicos

Intención didáctica. En esta asignatura se requiere que el estudiante cuente con las habilidades y conocimientos que le permitan: diseñar, construir y programar sistemas basados en Microcontroladores y FPGAs, manejar diferentes interfaces (RS 232 y USB) así como la terminología y conceptos requeridos en las redes de comunicaciones de datos, para que los aplique a la construcción y programación de interfaces y protocolos más usados actualmente en la comunicación de sistemas embebidos industriales. La materia está organizada en cuatro unidades. En la primera unidad se da la introducción a las comunicaciones entre sistemas embebidos, planteándose el panorama de la materia y los conceptos fundamentales requeridos en la misma. En la segunda unidad se analiza la interfaz RS 485, su norma, los principales buses industriales que la usan y se implementa físicamente para establecer la comunicación entre dos o más sistemas embebidos. En la tercera unidad se trabaja con las redes CAN, su protocolo de comunicación, formato de mensaje, su programación y su implementación física. En la unidad cuatro se analizan: la comunicación por Ethernet, su protocolo de comunicación, los requerimientos de hardware, su programación y su implementación física. Se sugiere que la materia promueva actividades que propicien en el estudiante el establecimiento de una metodología que le permitan desarrollar y adquirir conocimientos, habilidades, destrezas, actitudes y valores, por lo que se plantea el desarrollo de investigaciones, exposiciones y prácticas en equipo, que le permitan al estudiante sociabilizar, reflexionar sobre temas investigados y resultados obtenidos, percatarse de las deficiencias que tienen y de los logros obtenidos, desarrollar habilidades de expresión oral y escrita al momento de presentar resultados y mostrar actitud ética al presentar diseños y aplicaciones propias.

3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR Competencias genéricas: Competencias específicas: Analizar, construir y programar redes de comunicación entre sistemas embebidos, utilizando interfaces RS 485 y protocolos CAN y Ethernet. Competencias instrumentales: Capacidad de abstracción, análisis y síntesis Conocimientos básicos de la carrera Comunicación oral y escrita en su propia lengua. Habilidades de lectura de documentos en inglés. Habilidades básicas de manejo de la computadora. Habilidades de gestión de información (habilidad para buscar y analizar información proveniente de fuentes diversas) Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Capacidad de toma de decisiones. Competencias interpersonales Capacidad crítica y autocrítica. Capacidad para convivir y trabajar en equipo. Habilidades interpersonales Capacidad de trabajar en equipo interdisciplinario Capacidad de comunicarse con profesionales de otras áreas Compromiso ético Competencias sistémicas Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica Habilidades de investigación Capacidad de aprender Capacidad de adaptarse a nuevas situaciones Capacidad de generar nuevas ideas (creatividad) Liderazgo Habilidad para trabajar en forma autónoma Búsqueda del logro

4.- HISTORIA DEL PROGRAMA Lugar y fecha de elaboración o revisión Participantes Observaciones (cambios y justificación) Instituto Tecnológico de Veracruz Junio del 2012 al 6 de Julio del 2012 Representantes de la Academia de la Carrera de Ingeniería Electrónica. 5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO (Competencias específicas a desarrollar en el curso) Diseñar, analizar e implementar la comunicación entre sistemas embebidos, usando la interfaz RS 485, el bus CAN o Ethernet. 6.- COMPETENCIAS PREVIAS Conocer, armar y programar sistemas basados en FPGAs. Conocer, armar y programar sistemas basados en microcontroladores. Conocer los conceptos de redes de computadoras.

7.- TEMARIO Unidad Temas Subtemas I Introducción a las comunicaciones entre sistemas embebidos. 1.1 El modelo OSI 1.2 Interfaces empleadas en comunicaciones digitales. 1.3 Protocolos comunes en redes de comunicación digitales industriales. II Interfaz RS 485 Introducción a la norma EIA 485. Características eléctricas de la RS 485. Arquitectura de la conexión. Conversión de RS 232 a RS 485. Buses industriales basados en RS 485. III Comunicación por CAN 3.1 Introducción a la CAN. 3.2 Modelo de capas en el bus CAN. 3.3 Protocolo CAN. 3.4 Formatos de datos de la CAN: normal y extendida. 3.5 Implementación de un sistema de comunicación basado en CAN. IV Comunicación por Ethernet 4.1 Introducción a la comunicación por Ethernet. 4.2 Sockets informáticos. 4.3 La norma IEEE 802.3. 4.3.1 Formato de datos de Ethernet (comercial e industrial) 4.4 El TCP\IP en un microcontrolador. 4.5 Los protocolos SMTP, Telnet, HTTP y FTP. 4.6 Manejo de SMTP. 4.7 Implementación de un sistema de comunicación basado en Ethernet.

8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS (desarrollo de competencias genéricas) Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas fuentes. Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de los contenidos de la asignatura. Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre los estudiantes. Propiciar, en el estudiante, el desarrollo de actividades intelectuales de inducción-deducción y análisis-síntesis, las cuales lo encaminan hacia la investigación, la aplicación de conocimientos y la solución de problemas. Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de habilidades para la experimentación, tales como: observación, identificación manejo y control de variables y datos relevantes, planteamiento de hipótesis, de trabajo en equipo. Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los conceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollo de la asignatura. Propiciar el uso adecuado de conceptos, y de terminología científicotecnológica Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de contenidos de la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución. Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente; así como con las prácticas de una ingeniería con enfoque sustentable. Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo ocupacional. Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de estudios para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante. 9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN Examen escrito para evaluación del trabajo en el aula. Desarrollo de prácticas en el laboratorio. Desarrollo de reporte escrito del trabajo práctico. Evaluación de trabajos de investigación. Autoevaluaciones y co evaluaciones.

10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE Unidad 1: Introducción a las comunicaciones entre sistemas embebidos. Competencia específica a desarrollar Identificar las interfaces y protocolos de comunicación, más usados actualmente en sistemas embebidos. Actividades de Aprendizaje Buscar, seleccionar y analizar información, en las distintas fuentes bibliográficas propuestas, de las interfaces y protocolos de comunicación que se usan en sistemas embebidos. En pequeños grupos analizar la información y reflexionar sobre las características, ventajas, desventajas y requerimientos de las diferentes formas de comunicación entre sistemas embebidos. Elaborar un mapa conceptual que muestre tipos de interfaces y protocolos de comunicación, sus características y requerimientos. Por equipo exponer, una interfaz y un protocolo de comunicación, mostrando donde se aplican y las ventajas y desventajas que ofrecen. Unidad 2: Interfaz RS 485 Competencia específica a desarrollar Analizar características, diseño y requerimientos de la interfaz RS 485, así como realizar su implementación física. Actividades de Aprendizaje Realizar lecturas sugeridas y analizar la información, complementándola con la información de las distintas fuentes bibliográficas propuestas. Del análisis de la información obtener la norma EIA 485, diagrama de conexión, características eléctricas, velocidades de transmisión, arquitectura de conexión, y principales buses industriales que usan esta interfaz. Simular la comunicación entre dos microcontroladores usando la interfaz RS 485. Realizar el monitoreo y manipulación a distancia de variables físicas usando la interfaz RS485. Elaborar un manual del equipo de comunicación realizado en el punto anterior, en el que se muestren las características físicas y eléctricas, diagramas de conexión y pruebas de funcionalidad.

Unidad 3: Comunicación por CAN Competencia específica a desarrollar Obtener y analizar la información requerida para realizar una comunicación por bus CAN, aplicándola físicamente a la comunicación entre sistemas embebidos. Actividades de Aprendizaje Realizar lecturas sugeridas y analizar la información, complementándola con la información de las distintas fuentes bibliográficas propuestas. Del análisis de la información obtener diagrama de conexión, características eléctricas, velocidades de transmisión, y protocolos de comunicación (formatos de mensaje). Analizar el modelo de capas y elaborar un diagrama de bloques que indique los niveles de capa en los que trabaja el protocolo CAN. Elaborar un cuadro descriptivo de las tramas del protocolo CAN, indicando la función de cada una de sus partes. Realizar el monitoreo y manipulación a distancia de variables físicas usando el protocolo CAN. Elaborar un manual del equipo de comunicación realizado en el punto anterior, en el que se muestren las características físicas y eléctricas, diagramas de conexión y pruebas de funcionalidad. Unidad 4: Comunicación por Ethernet Competencia específica a desarrollar Obtener y analizar la información requerida para realizar una comunicación por Ethernet, aplicándola físicamente a la comunicación entre sistemas embebidos. Actividades de Aprendizaje Realizar lecturas sugeridas y analizar la información, complementándola con la información de las distintas fuentes bibliográficas propuestas. Del análisis de la información obtener diagrama de conexión, características eléctricas, velocidades de transmisión, y protocolos de comunicación (formatos de mensaje). Analizar el modelo de capas y elaborar un diagrama de bloques que indique los niveles de

capa en los que trabaja el protocolo Ethernet. Elaborar un cuadro descriptivo de las tramas del protocolo Ethernet (normal e industrial), indicando la función de cada una de sus partes. Realizar el monitoreo y manipulación a distancia de variables físicas usando la el protocolo Ethernet. Elaborar un manual del equipo de comunicación realizado en el punto anterior, en el que se muestren las características físicas y eléctricas, diagramas de conexión y pruebas de funcionalidad. 11.- FUENTES DE INFORMACIÓN 1. Tanenbaum, Andrew., Redes de computadoras, 4a. edición, Prentice Hall, 2003 2. Peng, Zhang., Advanced Industrial Control Technology, 1a edicion, Elsevier, 2010 3. Wilmshurst, Tim., Designing Embedded Systems With PIC Microcontrollers: Principles and Applications, 1a edicion, Elsevier, 2010 4. Dominique, Paret.,Roderick, Riesco, Multiplexed Networks for Embedded Systems: CAN, LIN, FlexRay, Safe-by-Wire, 1a. Edición, Wiley, 2007. 5. Jan, Axelson., Embedded Ethernet and Internet Complete, 1ª. Edición, Ed. Lakeview Research LLC, 2003 6. Axelson, Jan., Serial Port Complete: Programming and Circuits for RS- 232 and RS-485 Links and Networks, 1a Edición, Lakeview, 2000 7. Petruzzellis, Tom., Stamp 2 Communications and Control Projects, 1a edición,tab electronics, 2003 [1] http://www. microchip.com Hojas de datos de microcontroladores PICs y controlador de Ethernet [2] http://www. mikroe.com Tarjetas, módulos, libros y manuales de sistemas embebidos con CAN\Ethernet [3] http://www. arm.com Hojas de datos de microcontroladores ARM [4] http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21801d.pdf Hoja de datos de controlador CAN [5] http://www.embeddedethernet.com/, Conexión de un microcontrolador a una LAN.

[6] http://www.winradio.com/home/trunking theory.htm, Introducción al Trunking. [7] http://www.genesisworld.com/trunking.htm, Enlaces Trunking. [8] http://www.signalharbor.com/ttt/00jan/index.html, Introducción al Trunking. 12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS (aquí sólo describen brevemente, queda pendiente la descripción con detalle). Implementación física de la interfaz RS 485 Comunicación entre microcontroladores usando la interfaz del RS 485. Comunicación entre microcontroladores usando el bus CAN Monitoreo y control a distancia usando el bus CAN Apertura de un socket Lectura de puertos del microcontrolador por Ethernet Monitoreo y control remoto por Ethernet