Diseño y realización de un autómata programable basado en el microcontrolador Hercules RM46

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Electrónica, Robótica y Mecatrónica Diseño y realización de un Autómata Programable basado en el microcontrolador Hercules RM46 Autor: Sergio Romero Ordieres Tutor: Manuel Ángel Perales Esteve Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Electrónica, Robótica y Mecatrónica Diseño y realización de un Autómata Programable basado en el microcontrolador Hercules RM46 Autor: Sergio Romero Ordieres Tutor: Manuel Ángel Perales Esteve Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Trabajo Fin de Grado: Diseño y realización de un Autómata Programable basado en el microcontrolador Hercules RM46 Autor: Sergio Romero Ordieres Tutor: Manuel Ángel Perales Esteve El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: ÍNDICE GENERAL Índice general 1. Introducción 1 2. Estado del arte 3 2.1. Historia .................................. 3 2.2. TiposdePLC............................... 4 3. Arquitectura general de diseño 7 4. Diseño de placas electrónicas 13 4.1. Placaprincipal .............................. 14 4.1.1. Componentes ........................... 14 4.1.2. Esquemático eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1.3. Diseñopcb ............................ 19 4.2. Placa Entradas Digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.2.1. Componentes ........................... 20 4.2.2. Esquemático eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.2.3. Diseñopcb ............................ 25 4.3. Placa Entradas Analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.1. Componentes ........................... 26 4.3.2. Esquemático eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3.3. Diseñopcb ............................ 30 4.4. Placasalidas................................ 31 4.4.1. Componentes ........................... 31 4.4.2. Esquemático eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.3. Diseñopcb ............................ 35 4.5. Placaauxiliar............................... 36 4.5.1. Componentes ........................... 36 4.5.2. Esquemático eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.5.3. Diseñopcb ............................ 37 5. Programación del microcontrolador 39 6. Resultados 47 7. Anexo 55 Bibliografía 65 ÍNDICE DE FIGURAS Índice de figuras 2.1. Primer PLC de la historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2. PLCcompacto .............................. 5 2.3. PLCmodular ............................... 5 3.1. Diseño del proyecto completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.1. PantallaVM800.............................. 16 4.2. Esquemático de la placa principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.3. Diseño pcb de la placa principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.4. Esquemático de la placa entradas digitales . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.5. Diseño pcb de la placa entradas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.6. Esquemático de la placa entradas analógicas . . . . . . . . . . . . . . 28 4.7. Diseño pcb de la placa entradas analógicas . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.8. Esquemático de la placa salidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.9. Diseño pcb de la placa salidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.10. Esquemático placa auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.11. Diseño pcb de la placa auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.1. Ejemplo de la pantalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.2. Diagrama de flujo detección entradas digitales . . . . . . . . . . . . . 42 5.3. Diagrama de flujo detección entradas analógicas . . . . . . . . . . . . 43 5.4. Diagrama de flujo controlador de pantalla . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.5. Diagrama de flujo controlador de salidas . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.1. Placa original de entradas analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.2. Placa original de entradas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.3. Placa original de salidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.4. Placa original principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 6.5. Sistema completo (como tendríamos un PLC) . . . . . . . . . . . . . 50 6.6. Sistema completo funcionando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.7. Sistema completo funcionando 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2. TIPOS DE PLC Así en 1968 apareció MODICON 084. Fue el primer PLC de la historia. Lo creó la empresa Bedford Associates y se produjo con intenciones comerciales. Un aparato resistente que no necesitara mucho mantenimiento, con una vida mucho más larga que los relés y fácil de programar. Esto último era una característica muy importante ya que los hacía útiles para más de un sistema. Podían ser programados para lo que se quisiera mientras que con los relés el circuito quedaba inutilizado teniendo que crear otro totalmente distinto para otro sistema. Los PLCs avanzaron de tal forma que en el año 1973 eran capaces de comunicarse entre ellos. Esto los hacía aún más útiles al poder controlar alguna máquina o sistema sin estar si quiera cerca. Poco a poco fueron evolucionando aún más con respecto a las comunicaciones y a la manera de programarlos. Sin embargo, con el tiempo han perdido una batalla contra los microprocesadores. En los inicios de los PLCs estos eran más veloces pero con los años la cosa ha dado la vuelta hasta el punto en el que algunos PLCs se han visto reemplazados por ordenadores personales. Aquí entra en juego la idea de este proyecto. Queremos hacer un PLC con un microcontrolador porque hoy en día las características de los microcontroladores son mucho mejores. En definitiva la idea es hacer un PLC mejorado. 2.2. Tipos de PLC Cuando alguien esta pensando en comprar un PLC y se ha decidido finalmente por una marca específica, no es tan fácil escoger un modelo concreto. La gama de PLCs que existe es amplia y por tanto escoger el indicado no es tan sencillo. Existen PLCs de distintos precios y tamaños, esto quiere decir que algunos tendrán mejores características que otros. Puede ser que queramos un PLC para un sistema pequeño y fácil de controlar o para una fábrica donde se realizan cadenas de montaje. Como comprador tienes que ver que necesitas para comprar el producto lo más barato posible pero que cumpla tus expectativas y sacie tus necesidades. En el ejemplo antes expuesto, no sale rentable comprar un PLC con muchas entradas y salidas y con una gran cantidad de almacenamiento si tu sistema es pequeño y la mayor parte del PLC se va a desperdiciar. A parte de las características que normalmente se le piden a un PLC (velocidad, memoria, contadores, tension nominal), existen otras muy importantes que deben ser consideradas. Algunos de los factores de los no mencionados con anterioridad que pueden ser útiles son: Lenguajes permitidos Tipos de software permitido Actualizaciones de firmware Estabilidad de las versiones Cantidad y tipos de módulos de comunicaciones y señal Normalmente las empresas que crean PLCs hacen una distinción entre gama básica y gama alta. La gama más cara como es obvio ofrece características. Sacan 4 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE modelos nuevos con sistemas operativos que sean más potentes, con una capacidad de almacenamiento mayor y con mayor velocidad de procesador. Los modelos más nuevo suele tener actualizaciones de firmware para mejorar el equipo y una gran estabilidad de las versiones, aunque en ocasiones puede ser que haya alguna incompatibilidad. De ser así quiere decir que ese modelo de PLC está anticuado para esas nuevas actualizaciones que la empresa esta desarrollando y quedará en una gama de más bajo nivel. También cabe destacar la variedad de modelos que existe. Aquí por ejemplo tenemos 2 modelos diferentes. A la izquierda tenemos un PLC compacto y a la derecha un PLC modular. Figura 2.2: PLC compacto Figura 2.3: PLC modular En principio si ambos modelos son del mismo fabricante y tienen las mismas características no habría diferencia ninguna entre los dos tipos de PLC. Sin embargo, hay una diferencia clara entre ambos. El PLC compacto tiene todas sus partes juntas. Esto quiere decir que no puede mejorar. No se le pueden añadir nuevas entradas ni salidas ni por ejemplo se le puede añadir más memoria. Con los PLCs modulares esto no pasa. Tienen la capacidad de encadenar más módulos lo que les da la capacidad de mejorar si la situación lo requiere. Si usamos PLCs compactos y de repente nos damos cuenta de que nos hemos quedado cortos con los pines de entrada obligatoriamente tendremos que comprar uno con más entradas y salidas. Con nuestro PLC modular, lo único que tendríamos que hacer es poner otro módulo más al conjunto. Por este motivo en este trabajo se ha querido simular un PLC modular en el que podemos añadirle las entradas y salidas que queramos. 5 CAPÍTULO 3. ARQUITECTURA GENERAL DE DISEÑO Capítulo 3 Arquitectura general de diseño Como ya se ha mencionado anteriormente, la arquitectura general para el diseño de este proyecto esta basada en un PLC modular. Para seguir la misma idea, hemos construido cuatro placas electrónicas: o de alimentación (es la que unimos al microcontrolador Hercules), placa con entradas analógicas, placa con entradas digitales y placa con salidas. Estas placas es el símil a los módulos de un PLC, consiguiendo así que cada parte pueda unirse o no al conjunto final. En nuestro caso, no podíamos hacer algo tan genérico, con la capacidad para poder aceptar otros módulos. Este inconveniente nace por la idea de conexión entre la placa principal y el microcontrolador. Según cuantas entradas y salidas tuviera, esta placa tendría que estar conectada a más o menos pines del microcontrolador. Esto supone un problema que no se puede resolver por lo que se optó por poner un número estándar de ocho entradas digitales, ocho entradas analógicas y ocho salidas. Podría parecer lógico pensar que sería mejor poner el doble de salidas para que se iguale con el número de entradas pero existe un problema. El micro que estamos usando no posee salidas analógicas. Por esta razón, usamos solamente ocho salidas las cuáles responderán tanto a entradas digitales como a analógicas. En el caso de tener una entrada analógicas se usará un pwm para simular una salida analógica. Dicho esto es lógico comentar que pines del micro se usarán. Adelantar que aunque parezca raro los pines elegidos, se ha hecho así sobre todo por la distribución de pines. Aprovechando que hay tantos pines a nuestra disposición me ha parecido conveniente tenerlo en cuenta para que la placa principal quedara con una distribución más sencilla. Los pines usados para las salidas son pines específicos para usar pwm. Con este microcontrolador también se pueden usar los pines ’N2HET’ como pwm pero en nuestro caso no era posible. Esto es por culpa de que en la placa de salida para que funcione necesita una intensidad de corriente mínima de 6,4mA. Esto es debido a algunos componentes que tiene la placa de salida, que demandan esta corriente. Por desgracia no todos los pines del micro son capaces de abastecer con tanta intensidad de corriente. Los pines elegidos son capaces de proporcionar hasta 8mA por lo que no hay ningún problema y con estos pines nos aseguramos el correcto funcionamiento 7 del sistema. Entradas Analógicas 4 Entradas Digitales GIOB2, GIOB3, GIOA0, N2HET1[29], N2HET1[27], GIOA1, N2HET1[11], GIOA2 Salidas EPWM1B, EPWM2B, EPWM3A, EPWM3B, EPWM4A, EPWM4B, EPWM7B, EPWM7A Pantalla MIBSPI5CLK, MIBSPI5SIMO[0], MIBSPI5SOMI[0], N2HET1[23], N2HET1[26] UART SCIRX, SCITX Cuadro 3.1: Pines del Hercules utilizados El hecho de escoger el microcontrolador Hercules RM46x no ha sido simple casualidad. Este microcontrolador tiene la característica de estar diseñado para aplicaciones con una seguridad crítica. En nuestro caso estamos usando una placa de bajo coste que sirve como prueba para la línea de microcontroladores con gran seguridad. Su principal característica es que tiene un ARM Cortex-R4 de doble núcleo basado en la serie TMS570 MCU. Por ello es perfecto para este proyecto. La idea es crear un PLC mejorado y con este micro estamos garantizando que nuestras aplicaciones tendrán una seguridad crítica como podría ser una monitorización de gases. También tenemos la suerte de que Code Composer Studio (herramienta de edición y depuración) es compatible con el sistema que tiene nuestro micro. Es una suerte por el hecho de que desde HALCoGen se pueden exportar los códigos ha CCS. HALCoGen es una herramienta que nos permite configurar periféricos por medio de una interfaz gráfica. Esta configuración podemos convertirla a código que luego incluimos en nuestro proyecto en Code Composer Studio y podemos usarla sin ningún problema. Algunas características importantes de nuestro Hercules Launchpad son: Autotest incorporado para CPU y RAMs Módulo de señalización de errores con pin de error Monitoreo de voltaje y reloj Funcionamiento a 80 MHz Flash de 348kB con ECC (Error Correcting Code) 32kb RAM con ECC Flash de 16kB con ECC para emulación EEPROM Temporizador programable de 19 pines LIN/SCI(UART) Módulo de impulsos de codificador de cuadratura mejorado(eQEP) 8 CAPÍTULO 3. ARQUITECTURA GENERAL DE DISEÑO Ahora vamos a ver un poco la estructura general de cada placa. Se presentarán en diagramas de bloques, solo para que se entienda la filosofía que se quiere seguir. En los próximos apartados se entrará en detalle sobre la distribución haciendo referencia a cada componente en concreto. La placa principal no tiene un claro flujo de la corriente, por un lado entra alimentación al micro, entran también señales y salen otras señales. Alimentación Entradas Digitales Placa principal Entradas Analógicas Salidas Para la placa de entradas digitales sería: Entra señal digital Se enciende Led Llega corriente al optoacoplador Llega corriente protegida al micro Para la placa de entradas analógicas: Entra señal analógica Pasa por divisor de tensión Pasa por diodos a modo de protección Llega corriente ’protegida’ al micro 9 Por último para las salidas sería: Sale señal del micro Llega corriente al optoacoplador Se enciende led Sale corriente al exterior Dentro de lo posible, se ha intentado colocar todos los componentes de tal forma que el microcontrolador quede protegido ante posibles fallos en el voltaje o la intensidad. Esto se ha conseguido haciendo una separación entre las señales que entran y salen directamente del microcontrolador con aquellas que entran y salen de nuestro sistema completo que simula un PLC. Así no hay riesgos de que llegue un voltaje más alto de lo que el microcontrolador pueda aguantar. Por desgracia no se ha conseguido un aislamiento completo debido a la placa de entradas analógicas. En cada apartado se explicará como se ha conseguido o porque no se ha conseguido en el caso anteriormente comentado. Para terminar este apartado aquí se muestra un pequeño dibujo con la idea de como quede el sistema final con todas las placas conectadas entre ellas. 10 CAPÍTULO 3. ARQUITECTURA GENERAL DE DISEÑO Figura 3.1: Diseño del proyecto completo 11 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS Capítulo 4 Diseño de placas electrónicas En este apartado vamos a explicar con detalle todos los pasos que hemos seguido para diseñar el esquemático eléctrico de cada placa, todos los componentes que hemos usado y el diseño pcb de cada placa. Para llevar a cabo el diseño de las placas, se ha usado el programa KiCad. Este programa es gratuito y puede usarse en cualquier sistema operativo. La ventaja que tiene frente a otros programas estudiados en la carrera es que no tiene ninguna restricción. Hay programas que poseen versiones gratuitas las cuales no te dan las mismas posibilidades que tienes al comprar dichos programas. Con KiCad no hay ningún problema al respecto. El programa es bastante intuitivo y fácil de usar. En primer lugar, lo primero que tienes que hacer siempre es crear el esquemático de tu circuito. Al principio la idea era integrarlo todo en una placa. Todos los módulos tenerlos en una sola placa, cambiando así el modelo de proyecto que se ha visto en la introducción. Esta idea surgió del problema que había para crear dos esquemáticos distintos en un mismo proyecto, teniendo que incluir todos los circuitos en el mismo esquemático. La solución que se me ocurrió fue simplemente crear cuatro proyectos distintos, un proyecto para cada placa. El proyecto evolucionó de un modelo compacto a lo planteado en la introducción, un PLC Modular. Teniendo cuatro proyectos separados, había que tener cuidado con el tema de las librerías. Cada componente de un esquemático necesita que se le asocie una huella. La huella es decir qué componente en la vida real se colocará en esa posición. Esto está ligado al diseño pcb, que es el paso final. Sin embargo, teniendo todos los proyectos en la misma carpeta junto con las librerías, no hay ningún problema. Para el primer paso algo a destacar son las etiquetas en KiCad. Una forma muy útil de unir dos partes del circuito sin tener que llevar un cable muy largo que luego siempre puede incordiar con otros cables o componentes. Asignar la huella a cada componente es el segundo paso que hay que seguir. Una vez tengas todo el circuito montado, debes asignar a cada componente su huella para poder crear la Netlist. En algunos casos, puede que no encuentres la huella para el componente que necesitas ni siquiera buscando por internet alguna librería nueva. En ese caso, puedes crear tu mismo tu propia huella. En este proyecto, la huella que hace como conector entre el microcontrolador y la placa principal la he tenido que hacer por mi propia cuenta. 13 4.2. PLACA ENTRADAS DIGITALES todo en una única cara, evitando algunos inconvenientes. Si hiciéramos la placa a dos caras, algunos de los componentes tendrían que ir soldados por arriba. Esto tiene un claro inconveniente según que componente sea. Por ejemplo con los conectores que unen las diferentes placas es algo que no se puede hacer ya que no queda hueco entre el componente y la placa donde meter el soldador. Sin embargo, no todas las placas se han podido hacer a una sola cara. Cada placa se explicará como se ha hecho en su apartado correspondiente. En el apartado Resultados se mostrarán las placas verdaderas, cada componente y como queda todo finalmente soldado. Ahora solamente se quiere hacer conocer algunas peculiaridades que hayan podido surgir al hacer el diseño pcb y para ello nos apoyamos en una figura donde se pueden ver todas las pistas. 4.2. Placa Entradas Digitales Esta placa simula un módulo de entrada del PLC. En este caso se trata de las entradas digitales. Esta placa tiene gran importancia por dos motivos: recibe las señales de entrada digitales que le llegarán al micro y protege al microcontrolador de posibles picos de tensión o intensidad que puedan producirse en estas entradas. Para esta placa hay dos tipos de entrada distintas. La mitad de ellas son entradas a 3,3V y la otra mitad son a 24V. Se planteó la posibilidad de hacer que todas las entradas pudieran recibir señales del voltaje que fuese porque se controlaría con reguladores de tensión. El problema era que se necesitaban muchos reguladores por lo que finalmente se optó por obligar a que las entradas fueran de un voltaje específico. La mitad a 24V para simular entradas con un voltaje más real y la otra mitad a 3,3V para que sea todo lo contrario, hacer un sistema más pequeño que no admite voltajes tan elevados. A continuación se explicarán todos los detalles de esta placa. 4.2.1. Componentes La placa de entradas digitales está compuesta por dos conectores que se conectan con el exterior (por donde llegarían las señales) y un conector con el que se une a la placa principal. El conector de la placa principal es un conector de 10 pines donde se incluyen las ocho entradas digitales más la tierra y la alimentación de 3,3V que viene del Hercules. Los otros dos conectores son para recoger las señales del exterior. Cada uno recoge las señales de un determinado voltaje (24V o 3,3V). A parte, por cada dos señales hay una tierra. Esto se hace por varias razones. Si colocamos una sola tierra, al final tenemos muchos cables conectados al mismo punto y queda un poco feo. Si por el contrario ponemos una tierra para cada señal, tenemos conectores muy grandes y no es tan necesario. Poniendo una tierra cada dos entradas queda más limpio y no tenemos conectores tan grandes innecesariamente. Esta placa tiene ocho optoacopladores. Los optoacopladores son la barrera que protege al micro de los posibles picos de voltaje. Este esta compuesto por un led 20 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS y una lógica de circuitos todo dentro de un circuito integrado. Su funcionamiento es sencillo, cuando la corriente llega al led, este emite luz infrarroja que activa el circuito que hay dentro del optoacoplador. Con el circuito activado, conseguimos tener una salida en nuestro optoacoplador. Esa es una explicación un poco general, ahora entraremos más en detalle. Para empezar, con lo contado anteriormente, conseguimos la protección de la que tanto hemos hablado en los apartados anteriores. Normalmente, los optoacopladores se usa para proteger a circuitos eléctricos cuando entre él y el punto de entrada existe una diferencia de voltaje importante. En este caso, para las entradas a 24V, la diferencia de voltaje se ve bien clara. Para las entradas a 3,3V no es así pero se pone para que quede un circuito más compacto y protegido. Esta protección se consigue ya que toda la electricidad realmente se queda en el led que tiene dentro el optoacoplador. Solo se transmite la energía suficiente para encender todo el circuito que tiene detrás. Teniendo esta separación, vemos que hemos protegido al micro de cualquier pico de tensión que pudiera existir porque si por ejemplo pusiéramos una tensión mucho más alta de 24V, lo que pasaría es que probablemente se fundiría algún led pero la corriente se cortaría en el optoacoplador. Una característica importante también es que tienen salidas invertidas. Es decir, el opto que usamos para el proyecto tiene una alimentación a 3,3V y su salida sin ninguna entrada será de 3,3V. Cuando le llegue corriente al led y este encienda todo el circuito, la tensión que nos devolverá el optoacoplador será de 0V. Esto es una característica común que suelen tener todos los tipos. Otra cuestión importante para los optoacopladores que vamos a usar, los 6N137, es que tienen la salida a colector abierto. Esto quiere decir que tenemos que poner obligatoriamente una resistencia de Pull-Up a la salida. Sin embargo, para las entradas esta resistencia no la pondremos física sino que configuraremos los pines de entrada del microcontrolador. A parte, esta placa también tiene varias resistencias y varios led. Los led están colocados de tal forma que se enciendan cuando tenemos una señal de entrada por alguno de los conectores exteriores. Estos están en paralelo con los led internos que tienen los optoacopladores. A continuación se mostrará un circuito para que se vea como están dispuestos estos led con sus correspondientes resistencias de limitación y cuales han sido los cálculos que se han realizado para obtener el valor de las resistencias que hacen falta (recordemos que deben ser valores normalizados del 10%). 11.4mA 5mA R1 2V 6.4mA R2 1.4V + − 3.3/24V 21 4.2. PLACA ENTRADAS DIGITALES Se ha dibujado únicamente un circuito porque es igual para ambos casos (entrada a 3,3V o 24V). Utilizamos la ley de Ohm de nuevo (formula 4.1). Para las 4 entradas a 3,3V los valores de resistencias serían: R1(3,3V) = 3,3V−2V 5mA = 260Ω (4.4) R1(3,3V) = 220Ω (4.5) R2(3,3V) = 3,3V−1,4V 6,4mA = 296,875Ω (4.6) R2(3,3V) = 270Ω (4.7) Para las entradas a 24V los valores de resistencia serían: R1(24V) = 24V−2V 5mA = 4,4kΩ(4.8) R1(24V)=3,9kΩ(4.9) R2(24V) = 24V−1,4V 6,4mA = 3,531kΩ (4.10) R2(24V)=3,3kΩ(4.11) En la siguiente tabla se mostrarán cada uno de los componentes: Componente Número Tipo Conector 1x10 1 JST-1x10-P2.50mm Conector 1x6 2 Phoenix-MSTB-1x6-P5.80mm Optoacoplador 8 6N137 Resistencia 16 Resistor-THT-D2.5mm Led 8 LED-THT-D2.00m Cuadro 4.2: Componentes placa principal 22 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS 4.2.2. Esquemático eléctrico Para comenzar este apartado mostraremos la foto del esquemático eléctrico. 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 A B C D A B C D Date: KiCad E.D.A. kicad 5.1.2-f72e74a84ubuntu16.04.1 Rev: Size: A4 Id: 1/1 Title: File: TFG_entradas_digital.sch Sheet: / Entradas Digitales GND GND GNDGND GND 1 2 3 4 5 6 J3 Conn_01x06 1 2 3 4 5 6 J2 Conn_01x06 A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK4 6N137 DI-IN4 3,3V-placa 3,3V-placa GND IN4 GND D4 LED R8 220 R7 270 A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK3 6N137 DI-IN3 3,3V-placa 3,3V-placa GND IN3 GND GND D3 LED R6 220 R5 270 A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK2 6N137 DI-IN2 3,3V-placa 3,3V-placa GND IN2 GND GND D2 LED R4 220 R3 270 R13 3,3k R14 3,9k D7 LED GND IN7 GND 3,3V-placa 3,3V-placa A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK7 6N137 DI-IN7 GND R15 3,3k R16 3,9k D8 LED GND IN8 GND 3,3V-placa 3,3V-placa A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK8 6N137 DI-IN8 GND A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK1 6N137 GND DI-IN6 A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK6 6N137 3,3V-placa 3,3V-placa GND IN6 GND D6 LED R12 3,9k R11 3,3k GND DI-IN5 A C GND Vcc Ve Vo 2 3 5 6 7 8 OK5 6N137 3,3V-placa 3,3V-placa GND DI-IN1 3,3V-placa 3,3V-placa GND IN5 GND IN1 GND GND D1 LED D5 LED R10 3,9k R9 3,3k R2 220 R1 270 IN8 IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 3,3V-placa DI-IN1 DI-IN2 DI-IN3 DI-IN4 DI-IN5 DI-IN6 DI-IN7 DI-IN8 Entradas a la placa principal Conectores al exterior 1 10 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 Conn_01x10 GND Figura 4.4: Esquemático de la placa entradas digitales Vamos a comentar la distribución de esta placa. Los componentes más importantes son lógicamente los optoacopladores y todo el diseño eléctrico se construye en torno a ellos. Forman una clara barrera entre las conexiones con el exterior del circuito y el microcontrolador. Esta barrera se consigue gracias al funcionamiento de los propios optoacopladores pero hay un detalle muy importante que es determinante para que esto pueda ocurrir. Estos componentes se alimentan a 3,3V como se ha comentado en el apartado anterior, siendo determinante porque es el voltaje que obtendremos a la salida de los optoacopladores cuando estos no reciben señal ninguna a la entrada. Esta alimentación como se puede comprobar en la figura de arriba viene de la placa principal por el conector que une las dos placas. La diferencia es que no son los 3,3V que salen del regulador de tensión colocado en la placa principal en la parte del circuito de alimentación. Si fueran esos 3,3V, los optoacopladores se estarían alimentando con un voltaje que viene directamente desde el exterior. En ese caso, si se produjera cualquier pico inusual, afectaría directamente a la salida del optoacoplador y por lo tanto a la entrada del microcontrolador pudiendo dañarlo. Por ese motivo, la alimentación que reciben estos componentes viene directamente desde el micro. Hago esta aclaración dado que el nombre que recibe esta señal en el esquemático eléctrico es 3,3V-placa y puede traer alguna confusión. Realmente, si nos fijamos en la figura 4.2 puede verse claramente que esta tensión de 3,3V-placa 23 4.2. PLACA ENTRADAS DIGITALES proviene directamente del micro, llamándose 3,3V la que proviene del regulador de tensión. Así aseguramos totalmente que los optoacopladores están creando una zona protegida para el microcontrolador. Al inicio, el esquemático contaba también con resistencias de pull-up a la salida de los optoacopladores que como se ha comentado en el apartado anterior son necesarias al ser la salida a colector abierto. Esto se explica mejor con el siguiente esquema delante: Rpull −up Vcc = 3,3V VOUT Aquí presentamos un diseño de un colector abierto. Para nosotros, el transistor que vemos formaría parte de nuestro optoacoplador, Vcc sería la alimentación que viene del microcontrolador hasta el optoacoplador y Vout es la señal que entra en el micro. El transistor en estos casos funciona como un interruptor. Cuando no activamos el transistor (en nuestro caso hablamos de que no le llega corriente al optoacoplador), la única conexión que tiene Vout es a Vcc, y cuando activamos el transistor (llega corriente a nuestro optoacoplador), Vout se conecta a tierra a través de este. Este era parte del diseño principal del esquemático pero al final optamos por quitar esta resistencia física e introducirla en la configuración de las entradas del microcontrolador. El funcionamiento sería el mismo, y se ve claramente como con esta configuración tenemos una salida del optoacoplador que es inversa. Por la zona no protegida del sistema, tenemos tanto las distintas resistencias como los led, como los conectores para que entren las señales digitales. De esta parte del circuito no hay mucho más que explicar que no hayamos comentado anteriormente. El diseño de como están colocados los led para identificar que ha entrado una señal ya sea de 3,3V o de 24V se ha explicado y dibujado en el apartado anterior con todos los valores de resistencias usados y el camino que sigue la corriente en ese caso. Por tanto finalizamos este apartado y empezamos el diseño de la pcb de esta placa. 24 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS 4.2.3. Diseño pcb Aquí mostramos el diseño pcb que hemos seguido para la placa de entradas analógicas: Figura 4.5: Diseño pcb de la placa entradas digitales Como podemos comprobar, este diseño pcb se ha hecho a dos capas. Por un lado, tenemos la capa inferior (conexiones en verde), donde se hacen todas las conexiones necesarias menos las conexiones a tierra. Por otro lado, tenemos la capa superior (conexiones en rojo), donde se hacen las conexiones a tierra. Ambas caras tienen un relleno de toda el área sobrante con tierra. En este caso, la capa superior es toda un relleno de tierra a excepción de cada agujero que no este conectado a tierra. Se hizo así por la imposibilidad de conectar los distintos puntos de tierra en la capa inferior. Por culpa de los optoacopladores, los espacios entre pines de cada optoacoplador son muy pequeños y resulta imposible encontrar otra ruta alternativa. Hay zonas en las que algunos pines están totalmente encerrados por otras pistas y no es posible enlazarlos con otros. Haciendo la placa en dos capas solucionamos el problema y conseguimos que todo esté en orden. En este diseño pcb se ha podido cumplir todas las reglas que se enumeraron en el apartado 4.1.3, no hemos tenido que recurrir a pistas más finas, todos los ángulos son de 135oy en ambas capas se ha rellenado el área sobrante con tierra. Quizás se podría haber intentado colocar alguna pista más fina y no tener que hacer la placa en dos capas pero debían ser demasiado finas. Haberlo intentado 25 4.3. PLACA ENTRADAS ANALÓGICAS seguramente hubiera llevado a errores y tener que hacer de nuevo la placa por lo que se prefirió simplemente hacerlo en dos capas. 4.3. Placa Entradas Analógicas Esta placa simula otro módulo de entrada del PLC, las entradas analógicas. Se podría haber hecho una sola placa (que simulara un único módulo), la cuál tuviera tanto entradas digitales como entradas analógicas. Sin embargo, había un problema en hacerlo así y era que las entradas analógicas no están aisladas galvánicamente. En ese caso, se crea un claro conflicto con las entradas digitales que si consiguen este aislamiento gracias a los optoacopladores. Por eso mismo, se ha separado en dos placas distintas. Esto demuestra claramente la debilidad del diseño pero hablando con el tutor optamos finalmente por esta opción para no complicar tanto el diseño. A continuación se explicarán todos los detalles de esta placa. 4.3.1. Componentes Esta placa está compuesta por los dos conectores encargados de recibir las señales de entrada (los que se conectan con el exterior) y el conector correspondiente para conectarse con la placa principal. Los conectores exteriores tienen seis entradas cada uno, cuatro para entradas que serán analógicas y dos a tierra. Lo mismo que en la placa de entradas digitales. El conector interior (el de unión con la placa principal), tiene 10 pines. Entre ellos se incluyen como es lógico todas las entradas analógicas que son ocho, un pin a tierra y otro a los 3,3V que proporciona la placa. Se usan el voltaje que genera la placa y no los 3,3V que podemos conseguir de la alimentación justamente por no estas aisladas galvánicamente.Aparte de los conectores, esta placa solo tiene resistencias y diodos. La placa está preparada para recibir entradas analógicas de 5V. Esto quiere decir que todas las señales que estén en el rango entre 0V y 5V son bien recibidas. Si por algún casual alguna entrada superara este voltaje podríamos dañar el microcontrolador. Aún así, las entradas del microcontrolador aceptan como máximo 3,3V mientras que nosotros estamos aceptando señales de hasta 5V. Esto es gracias al divisor resistivo que tenemos puesto en cada entrada. Con él las señales que como entrada están en el rango entre [0-5]V, llegarán al microcontrolador entre [0-3,3]V. Con el siguiente dibujo se mostrarán los cálculos realizados para escoger los valores de estas resistencias. 26 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS R1 R2 Vcc = 5V VOUT = 3,3V (1) Para los cálculos de estas dos resistencias se ha utilizado la ley de las corrientes de Kirchhoff. En concreto la primera ley de Kirchhoff o también conocida como ley de nodos. Esta ley dice que la suma de las corrientes que entran en un nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de ese nodo. Para nuestro caso, escogemos el nodo que se ve señalado en el dibujo anterior. Para ese nodo tenemos tres corrientes y nosotros las pondremos de la siguiente manera: i1 i2 (1) La primera ley de Kirchhoff dice que: i1 = i2(4.12) V cc −V out R1=V out −GND R2(4.13) Despejando Vout finalmente obtenemos: V out =R1 R1 + R2∗V cc (4.14) Sustituimos Vout y Vcc por los valores conocidos y elegimos los valores de las resistencias según la relación entre ellas y sabiendo que deben ser valores normalizados del 10 %. 3,3 = R2 R1 + R2∗5(4.15) 3,3∗R1=1,7∗R2(4.16) R1 = 27kΩ(4.17) R2 = 47kΩ(4.18) Se escogen valores de resistencias elevados para demandar menos corriente. Con los siguientes valores realmente estamos acotando aún más el rango (por culpa de los valores normalizados de resistencia). Está entre [0-3,18]V. 27 4.3. PLACA ENTRADAS ANALÓGICAS Los componentes de esta placa son: Componente Número Tipo Conector 1x10 1 JST-1x50-P2.50mm Conector 1x6 2 Phoenix-MSTB-1x6-P5.80mm Resistencia 16 Resistor-THT-D2.5mm Diodo 16 Diode-THT Cuadro 4.3: Componentes placa principal 4.3.2. Esquemático eléctrico Aquí podemos ver una foto del esquemático eléctrico. 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 A B C D A B C D Date: KiCad E.D.A. eeschema 5.1.2-f72e74a84ubuntu16.04.1 Rev: Size: A4 Id: 1/1 Title: File: TFG_entradas_analogicas.sch Sheet: / AN1 AN2 AN3 AN4 AN5 AN6 AN7 AN8 R2 47k R1 27k AN1 GND D1 D D2 D GND 3,3V-placa AN-IN1 AN5 R4 47k R3 27k AN2 GND D3 D D4 D GND 3,3V-placa AN-IN2 R6 47k R5 27k AN3 GND D5 D D6 D GND 3,3V-placa AN-IN3 R8 47k R7 27k AN4 GND D7 D D8 D GND 3,3V-placa AN-IN4 AN6 AN7 R16 47k AN8 GND D16 D GND AN-IN8 1 2 3 4 5 6 J2 Conn_01x06 1 2 3 4 5 6 J3 Conn_01x06 GND GND GND GND Entradas Analógicas 3,3V-placa D15 D R15 27k AN-IN7 3,3V-placa GND D14 D D13 D GND R13 27k R14 47k AN-IN6 3,3V-placa GND D12 D D11 D GND R11 27k R12 47k AN-IN5 3,3V-placa GND D10 D D9 D GND R9 27k R10 47k AN-IN1 AN-IN2 AN-IN6 AN-IN7 AN-IN8 Entradas a la placa principal Conectores al exterior AN-IN5 AN-IN4 AN-IN3 3,3V-placa1 10 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 Conn_01x10 GND Figura 4.6: Esquemático de la placa entradas analógicas El esquema eléctrico que se ha diseñado para esta placa no tiene mucho que comentar. Simplemente se conectan las entradas analógicas al divisor resistivo explicado en el apartado exterior, y la salida de ese divisor resistivo se conecta directamente a la conexión que tiene la placa con el microcontrolador. En el apartado de componentes de esta placa no hemos hablado de los diodos, simplemente los hemos documentado en la tabla correspondiente. Los diodos como componente no tienen mucho más que decir por eso me parecía oportuno explicar 28 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS su uso y como están dispuestos en este apartado. Como se puede comprobar en la figura 4.6, los diodos están puestos después del divisor resistivo. El primer diodo esta conectado desde tierra hasta la salida del divisor resistivo. El segundo diodo esta conectado desde esta misma salida hasta la toma con la alimentación de 3,3V que vienen del microcontrolador. Dado que no hemos usado ningún componente para aislar galvánicamente estas entradas, hemos decidido colocar estos diodos a modo de pequeña seguridad. Los diodos en este caso funcionarán como interruptores, podrán conducir corriente o comportarse como circuito abierto. Como ya sabemos, los diodos conducen a partir de un cierto voltaje si el ánodo esta conectado al punto positivo y el cátodo al negativo. Esto es lo mismo que si decimos que entre el ánodo y el cátodo tiene que haber una diferencia de potencial positiva. Para el primer diodo que hemos definido, si no hay alteraciones en la tensión de salida de nuestro divisor resistivo, la diferencia de potencial que tendría sería entre GND (0V) y el voltaje en la salida del divisor (entre 0 y 3,3V). Esta diferencia sería por tanto de 0V o tendría valor negativo y el diodo no conduciría, comportándose como un circuito abierto. En caso de que hubiera alguna alteración y tuviéramos tensión negativa a la salida del divisor, entonces el diodo conduciría. El diodo recortará el exceso de tensión que podría dañar a nuestro microcontrolador. Para el segundo diodo, el funcionamiento es el mismo pero con otros valores. En este caso, el ánodo del diodo se encuentra entre 0 y 3,3V y el cátodo está siempre a 3,3V. Si no hay ningún fallo y la tensión a la salida del divisor de tensión no supera los 3,3V, el diodo no conducirá. Si por el contrario ocurre cualquier fallo y esta tensión se incrementa, el diodo empezará a conducir y de nuevo recortará un poco ese exceso de tensión sufrido. Con este montaje, no estamos protegiendo al microcontrolador contra cualquier perturbación seria que pueda sufrir pero si podemos asegurar que si hay pequeñas variaciones de tensión entre los límites establecidos, los diodos nos ayudarán a compensar ese exceso de tensión que puede llegar a dañar nuestro sistema. 29 4.5. PLACA AUXILIAR tiene y para que quedara un diseño más claro se ha intentado juntar lo máximo los componentes sin llegar a forzar demasiado para evitar errores. 4.5. Placa auxiliar Esta placa no aparece con anterioridad comentada debido a que no es una parte más dentro de las funcionalidades que puede llegar a tener nuestro PLC. Esta placa ha sido simplemente creada a raíz de un fallo encontrado en la huella de KiCad con uno de los componentes. Este componente es el LM117. El componente usado en KiCad para obtener su huella y poder hacer la placa principal con el correspondiente circuito estaba equivocada. Me dí cuenta una vez quise soldar el componente ya que la distribución de las pistas me parecía algo extraño. Cuando revisé como debía ser el componente me encontré con la sorpresa de que la distribución de los pines era distinta a la que por defecto aparecía en el programa. Además tuve que añadir un par de resistencias por lo que decidimos crear una placa muy pequeña que pudiera solventar todos estos inconvenientes de una sola vez. Debido a la simpleza de la placa este apartado será muy breve y apenas tendrá contenido. 4.5.1. Componentes Esta placa solo tiene tres componentes, dos resistencias y el LM117. Aparte tiene tres agujeros que es donde se suelda la placa a la placa principal. Para calcular el valor requerido de las resistencias se siguió la siguiente fórmula, la cuál se puede encontrar en el datasheet del LM117. V out = 1,25V(1 + R2 R1) + Iadj(R2) (4.23) Despreciando la intensidad para nuestro caso y sabiendo que el voltaje de salida que nosotros queremos es de 3,3V la cuenta es muy fácil. R2 = 1,64 ∗R1(4.24) R1 = 220Ω (4.25) R2 = 330Ω (4.26) Componente Número Tipo Resistencia 2 Resistor-THT-D2.5mm LM117 1 Circuito integrado TO-220 Cuadro 4.5: Componentes de la placa auxiliar 36 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE PLACAS ELECTRÓNICAS 4.5.2. Esquemático eléctrico Realmente las conexiones en KiCad son muy pocas y no queda claro como deben disponerse los componentes por ello he puesto una fotografía sacada del datasheet del componente donde podemos ver claramente como debe ir conectado el componente. Figura 4.10: Esquemático placa auxiliar En este caso, los condensadores sí están en la placa principal dado que estaban así desde un principio. 4.5.3. Diseño pcb Aquí podemos ver una imagen con el diseño pcb de esta placa. Figura 4.11: Diseño pcb de la placa auxiliar La única novedad que hay sobre esta placa es el hecho de que se ha soldado por arriba. Debido a que ninguno de los componentes era un inconveniente para esta práctica, se decidió soldar por arriba para que fuera más fácil soldarla directamente a la placa principal sin necesidad de usar ningún conector. 37 4.5. PLACA AUXILIAR En el apartado de resultados donde aparecerán las distintas fotografías de las placas reales podremos ver como ha quedado finalmente esta placa unida a la placa principal. 38 CAPÍTULO 5. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR Capítulo 5 Programación del microcontrolador La programación de este sistema se ha llevado a cabo sobre Code Composer Studio, un entorno de desarrollo integrado (IDE) para desarrollar aplicaciones para procesadores de Texas Instruments. Nuestro microcontrolador, el Hercules, es de la empresa Texas Instruments por lo que hemos aprovechado este entorno de desarrollo. También por ser con el que durante varios cursos hemos trabajado (siempre usando microcontroladores de Texas Instruments). A parte, también hemos usado una aplicación, HALCoGen, que permite a los usuarios generar controladores de dispositivos HAL para Hercules. Se denomina HAL a la capa de abstracción de hardware (siendo HAL sus siglas en inglés). Con HALCoGen lo que hemos hecho es preparar las librerías que normalmente tendríamos que hacer a mano o coger de internet de una manera muy simple y dinámica. Con una interfaz gráfica, puedes escoger los periféricos que vas a usar del micro, y activar los pines que creas necesario o configurar algunos puertos más específicos. Cuando has terminado toda esta configuración, se generan de forma automática todos los archivos que servirán para usarlos como librerías en el código a desarrollar. La programación de nuestro sistema debe controlar las señales de entradas que le llegan, tanto digitales como analógicas, debe accionar las diferentes salidas, que serán por medio de modulación por ancho de pulsos (PWM, siglas en inglés de pulsewidth modulation), y controlar la pantalla que conectaremos a la placa principal. Para ello los periféricos que hemos tenido que usar son los siguientes: Periférico Entradas analógicas ADC1 driver Entradas digitales GIO driver y HET1 driver Salidas ETPWM driver Pantalla MIBSPI5 driver Cuadro 5.1: Periféricos usados del microcontrolador Con la pantalla nuestro objetivo es crear una pequeña de interfaz gráfica donde se pueda ver como se va interactuando con el sistema. Para ello lo que representaremos será ocho pequeños círculos que se encenderán y apagarán en función de si recibe o no una señal digital a la entrada. Será lo mismo que los leds físicos que hemos colocado 39 en la placa correspondiente. También aparecerán ocho números que representarán los voltios que están entrando por las señales analógicas. Para esto haremos una conversión sabiendo que los bits que posee el ADC driver son 12. Por último, en la pantalla aparecerán ocho botones que podremos pulsar para accionar las salidas que tenemos. Un dibujo de como quedaría la pantalla sería más o menos así: Figura 5.1: Ejemplo de la pantalla Para ello configuraremos primeramente una pantalla inicial en la que todos los círculos aparezcan sin color, es decir, apagados, y todos los valores con los voltios aparezcan a 0V. Después, con cada evento que se produzca en el sistema, actualizaremos la pantalla según que haya ocurrido. Para explicar esto un poco más es mejor pasar a desarrollar directamente la filosofía del código que se ha utilizado para este sistema. El PLC es un sistema en tiempo real y como tal lo he programado para que actúe frente a eventos. Esto que quiere decir, que el código no está hecho de forma lineal y que no seguirá siempre unos mismos pasos dentro de un bucle o algo parecido. En nuestro caso, al principio del programa iniciaremos todas las variables y librerías de las que luego queremos emplear. Lo siguiente será crear las tareas que se desarrollarán todas en paralelo y en tiempo real. Por último, se activan todas las tareas previamente programadas y el sistema empezará a reaccionar frente a los distintos eventos que tengan lugar en las distintas tareas creadas. El código consta de cuatro tareas distintas: Si detectan una entrada digital, pone a 1 la variable asignada a esa entrada Si detectan una entrada analógica, pone a 1 la variable asignada a esa entrada y guarda el valor que le haya llegado Si detectan que alguna variable esta a 1, activan la salida correspondiente(las entradas digitales tienen prioridad sobre las analógicas) 40 CAPÍTULO 5. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR Si detectan que alguna variable esta a 1, actualizan la pantalla y si detectan que alguien pulsa un botón, pone a 1 la misma variable que usan las entradas digitales Las tareas no funcionan por interrupciones. El problema de usar interrupciones era que necesitaba poner ocho entradas esperando a que se activaran y se produjera una interrupción. Por otro lado, dentro de la función que controlaba la acción de salida de dicha interrupción tenía que hacer una división en función de que entrada había sido activada para activar una salida u otra. Esto no me parecía adecuado tener que estar poniendo condiciones para ver que entrada de las posibles era la que había hecho saltar la interrupción. El código está programado con tareas que son básicamente como pequeños programas que están ejecutándose todo el rato dentro de un bucle infinito. Tienen la característica de que no pueden devolver nada y que si no sirven se deben destruir para que no ocupen memoria. Las tareas requieren RAM que se utiliza para mantener el estado de la tarea, y que la tarea utiliza como su pila. Nosotros podemos crear todas las tareas que queramos, sin embargo, solo podrá estar ejecutándose una en cada momento de tiempo dado que todas se ejecutan en el mismo núcleo de procesador. Se dice que las tareas tienen dos estados distintos: en ejecución o no está en ejecución. En ejecución solo puede haber una tarea mientras que todas las demás se encontrarán en modo no está en ejecución. Mientras una tarea no está en ejecución lo que hace es esperar en el mismo sitio en el que se quedó cuando estaba en ejecución para cuando vuelva a entrar en este estado pueda retomar la tarea por donde la dejó. Para nosotros las tareas parecerá que se están ejecutando en paralelo. Los ciclos se ejecutan a una velocidad que para nuestra percepción veremos que todas las tareas se realizan a la vez. Ya hemos comentado cuantas tareas tenemos y la función de cada una de las tareas. Se ha hecho de esta manera para intentar que el comportamiento fuera parecido al de un PLC. Normalmente, estos primero toman los datos correspondientes y después actúan en consecuencia a ellos. Para eso, se ha programado las tres tareas encargadas de comprobar si hay algún dato a la entrada y ponen la variable correspondiente a 1 para avisar del evento. Por último, solo hay una tarea encargada de manejar las salidas. En cada iteración comprueba cuales de todas las variables usadas para definir los eventos está a 1. En función de esto, activa la salida correspondiente. Como es esta única función la que decide si se activa una salida y como debe activarse (como salida digital o analógica) simplemente se ha elegido como preferencia que si alguna salida digital está activada las salidas analógicas no pueden. Puede ser que llegue alguna señal analógica pero no se activará en este caso. Para no tener tantos casos y no hacer que la función que controla las salidas elija entre tres variables(contando con la variable que le correspondería a la pantalla), se ha usado una única variable tanto como para la pantalla como para las entradas digitales ya que realmente su función es la misma. Para la programación de la pantalla se han usado dos librerías usadas en cursos anteriores. Estas librerías están pensadas para otro microcontrolador así que he tenido que cambiar las funciones correspondientes al control de periféricos por los 41 periféricos de mi micro. Las otras funciones se basan siempre en las mismas que son las que he tenido que cambiar. Todo lo demás se deja igual y podemos usar la pantalla sin necesidad de crear todas las funciones desde cero. A continuación podremos ver un diagrama de flujos por cada tarea planteada anteriormente en el que se pueda apreciar los estados por los que tendrá que pasar cada función: Figura 5.2: Diagrama de flujo detección entradas digitales Aquí tenemos como es el bucle que realiza la tarea encargada de poner las variables correspondientes a las entradas digitales a 1 cuando hay señal en dichas entradas. 42 CAPÍTULO 5. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR Figura 5.3: Diagrama de flujo detección entradas analógicas Aquí tenemos como es el bucle que realiza la tarea encargada de poner las variables correspondientes a las entradas analógicas a 1 cuando hay señal en dichas entradas. Los valores de cada entrada se guardan cuando leemos el ADC. La pregunta que hay que hacerse es si la señal es lo bastante grande porque normalmente aunque no le llegue nada siempre lee un valor mayor que 0 por lo que obligamos a que el valor sea mayor que 1000 para poder activarse, teniendo en cuenta que su máximo valor es de 4095. 43 Figura 5.4: Diagrama de flujo controlador de pantalla Para el control de la pantalla por un lado hay que ver si algún botón está pulsado para activar la variable correspondiente y una vez comprobado esto, tenemos que ver si alguna entrada ha sido activada para pintar la pantalla de nuevo según los datos que hayamos obtenido. Si hay un par de entradas digitales con sus variables a 1 y otro par de entradas analógicas igual, habrá que pintar la nueva pantalla donde aparecerán esas entradas digitales como círculos rojos (mostrado anteriormente en la figura 5.1) y el valor que haya sido leído por el ADC en las variables correspondientes. 44 CAPÍTULO 5. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR Figura 5.5: Diagrama de flujo controlador de salidas Por último así es el bucle que activa las salidas en función de las entradas que estén activas, ya sean entradas digitales, analógicas o activadas mediante el botón de la pantalla. 45 Figura 6.7: Sistema completo funcionando 2 En esta foto se aprecia claramente la pantalla y todos los led que deben estar encendidos. Aunque está un poco pequeño, en la pantalla podemos ver a parte del círculo rojo correspondiente a la entrada digital, que en el último valor numérico pone 2.0V, correspondiente a a entrada analógica. El diseño final de la pantalla es un poco distinto al que se presentó en el apartado de programación del microcontrolador. Simplemente en vez de poner todos los valores numéricos de las entradas analógicas, me ha parecido más conveniente separarlo en dos tandas de cuatro. Los cuatro de arriba van de la entrada número 1 a la 4 (de izquierda a derecha) y en la parte de abajo tenemos de la 5 a la 8. En la figura 6.6 de la página anterior se ve mejor pero aún así también en esta podemos ver como es el orden que sigue la placa de entradas analógicas, siendo la que está más a la derecha en la foto la última. Como se ha comentado anteriormente, por falta de material y de fuentes de alimentación no se ha podido probar las entradas y salidas que se conectarían a 24V en ves de a 3,3V. De todas formas, el comportamiento es análogo y funcionaría de la misma manera. Por otro lado, comentar algunos de los inconvenientes que se han sufrido. 52 CAPÍTULO 6. RESULTADOS En primer lugar, al final en lm1117 no necesitaba placa de adaptación. Es cierto que aún así la huella de KiCad no era correcta y había que hacer un cambio entre los pines del componente pero el lm117 que se ha usado era específico de salida 3,3V por lo que no hacia falta ponerle las resistencias para regular la tensión a la salida. Para no tener que desmontar la placa de adaptación que ya estaba soldada lo que se ha hecho es quitar las resistencias que había y soldar la pata del componente que antes iba conectada al pequeño circuito directamente a tierra. Me di cuenta de este fallo cuando probando las distintas conexiones ví que a la placa de las salidas le estaba llegando 10V en vez de 3,3V. Una vez que se localizó el problema la solución fue bastante fácil. En la figura 6.6 se puede ver como faltan esas dos resistencias que si se aprecian en la figura 6.5. Fue un inconveniente que se encontró justo al final cuando se probó el sistema al completo y se ha resuelto de la manera más simple y rápida. El segundo inconveniente es que después de un buen rato usando el sistema parece que el componente 7805 no funciona bien y tanto la pantalla como el propio microcontrolador (los dos componentes que se alimentan directamente desde el componente) dejan de funcionar entrando el Hercules en un estado de error. Este problema solo ocurre cuando la pantalla esta conectada. Si desconecto la pantalla el plc puede seguir funcionando todo el tiempo. Algo a tener en cuenta es que el código que sigue el microcontrolador antes de crear todas la tareas calibra la pantalla. Esto se hace como parte de una iniciación donde se inician todos los periféricos también. Por lo tanto, lo primero que tenemos que hacer es seguir los pasos que nos muestra la pantalla para ajustar el calibrado y una vez hecho aparece nuestro dibujo principal en la pantalla y a partir de ese momento queda iniciado el plc. Se debe tener en cuenta porque si queremos usar el sistema primero debemos conectar la pantalla para hacer esta iniciación y luego para que no de problemas podemos desconectarla y seguir usando todo el sistema sin la pantalla. Esta calibración de la pantalla no se menciona en el apartado de programación primero porque no es un código que haya hecho yo y segundo porque en principio pensé que no haría falta. Luego cuando probé la pantalla ví que sin una calibración previa, cuando intentabas pulsar los botones, se creía que estabas pulsando otros distintos, como si estuvieran desplazados y parte de la pantalla ni siquiera se pudiera leer. En el código que viene a continuación se puede ver que está en la función principal antes incluso de crear las tareas. Estos son los resultados finales de este trabajo. 53 CAPÍTULO 7. ANEXO Capítulo 7 Anexo #include " system .h" #include < stdlib .h > #include < stdio .h > #include < inttypes .h> #include < stdbool .h> #include " sys_common .h" #include " stdlib .h" #include " FreeRTOS .h" #include " os_task .h" #include " os_semphr .h" #include "sci.h" #include "adc.h" #include "het.h" #include "gio.h" #include " etpwm .h" #include " FT800 .h" #include " mibspi .h" #include " sys_common .h" // Declaraci ón de variables adcData_t adc_data [8]; char chipid = 0; // Holds value of Chip ID read from the FT800 unsigned long cmdBufferRd = 0 x00000000 ; // Store the value read from the REG_CMD_READ register unsigned long cmdBufferWr = 0 x00000000 ; // Store the value read from the REG_CMD_WRITE register unsigned int t =0; int Fin_Rx=0; char Buffer_Rx ; unsigned long POSX , POSY , BufferXY ; unsigned long POSYANT =0; unsigned int CMD_Offset = 0; unsigned long REG_TT [6]; 55 char cadena1 [5]; float voltage1; bool input_1 ; bool input_2 ; bool input_3 ; bool input_4 ; bool input_5 ; bool input_6 ; bool input_7 ; bool input_8 ; bool input_dig1 ; bool input_dig2 ; bool input_dig3 ; bool input_dig4 ; bool input_dig5 ; bool input_dig6 ; bool input_dig7 ; bool input_dig8 ; bool input_an1 ; bool input_an2 ; bool input_an3 ; bool input_an4 ; bool input_an5 ; bool input_an6 ; bool input_an7 ; bool input_an8 ; xTaskHandle xTask1Handle ; xTaskHandle xTask2Handle ; xTaskHandle xTask3Handle ; xTaskHandle xTask4Handle ; xTaskHandle xTask5Handle ; // /* Definici ón de las tareas */ void vTask1(void *pvParameters) { while (1) { // Si encuentra alguna entrada a 0( pullup ) , activa la variable correspondiente if( gioGetBit ( gioPORTB , 2) ==0) input_dig1 = true ; else input_dig1 = false ; if( gioGetBit ( gioPORTB , 3) ==0) input_dig2 = true ; else input_dig2 = false ; if( gioGetBit ( gioPORTA , 0) ==0) input_dig3 = true ; else input_dig3 = false ; if( gioGetBit ( hetPORT1 , 29) ==0) input_dig4 = true ; 56 CAPÍTULO 7. ANEXO else input_dig4 = false ; if( gioGetBit ( hetPORT1 , 27) ==0) input_dig5 = true ; else input_dig5 = false ; if( gioGetBit ( gioPORTA , 1) ==0) input_dig6 = true ; else input_dig6 = false ; if( gioGetBit ( hetPORT1 , 11) ==0) input_dig7 = true ; else input_dig7 = false ; if( gioGetBit ( gioPORTA , 2) ==0) input_dig8 = true ; else input_dig8 = false ; } } void vTask2(void *pvParameters) { while (1) { MPU_vTaskDelay(100); // Leemos el convertidor anal ó gico digital adcStartConversion ( adcREG1 , adcGROUP1 ); while (! adcIsConversionComplete ( adcREG1 , adcGROUP1 )); adcGetData ( adcREG1 , adcGROUP1 , & adc_data [0]) ; // Si encuentra alg ún valor notablemente alto activa la variable correspondiente if (( unsigned int )( adc_data [3]. value ) >1500) input_an1 = true ; else input_an1 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [4]. value ) >1500) input_an2 = true ; else input_an2 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [1]. value ) >1500) input_an3 = true ; else input_an3 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [0]. value ) >1500) input_an4 = true ; else input_an4 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [5]. value ) >1500) input_an5 = true ; else input_an5 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [7]. value ) >1500) input_an6 = true ; else input_an6 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [6]. value ) >1500) input_an7 = true ; else input_an7 = false ; if (( unsigned int )( adc_data [2]. value ) >1500) input_an8 = true ; else input_an8 = false ; } } void vTask3(void *pvParameters) 57 { while (1) { // Activa las salidas en funci ón de las entradas le í das if( input_dig1 == true || input_1 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG1 , 4095) ; else if( input_an1 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG1 , ( unsigned int )( adc_data [3]. value )); else etpwmSetCmpB ( etpwmREG1 , 0); if( input_dig2 == true || input_2 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG2 , 4095) ; else if( input_an2 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG2 , ( unsigned int )( adc_data [4]. value )); else etpwmSetCmpB ( etpwmREG2 , 0); if( input_dig3 == true || input_3 == true ) etpwmSetCmpA ( etpwmREG3 , 4095) ; else if( input_an3 == true ) etpwmSetCmpA ( etpwmREG3 , ( unsigned int )( adc_data [1]. value )); else etpwmSetCmpA ( etpwmREG3 , 0); if( input_dig4 == true || input_4 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG3 , 4095) ; else if( input_an4 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG3 , ( unsigned int )( adc_data [0]. value )); else etpwmSetCmpB ( etpwmREG3 , 0); if( input_dig5 == true || input_5 == true ) etpwmSetCmpA ( etpwmREG4 , 4095) ; else if( input_an5 == true ) etpwmSetCmpA ( etpwmREG4 , ( unsigned int )( adc_data [5]. value )); else etpwmSetCmpA ( etpwmREG4 , 0); if( input_dig6 == true || input_6 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG4 , 4095) ; else if( input_an6 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG4 , ( unsigned int )( adc_data [7]. value )); else etpwmSetCmpB ( etpwmREG4 , 0); if( input_dig7 == true || input_7 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG7 , 4095) ; else if( input_an7 == true ) etpwmSetCmpB ( etpwmREG7 , ( unsigned int )( adc_data [6]. value )); else etpwmSetCmpB ( etpwmREG7 , 0); if( input_dig8 == true || input_8 == true ) etpwmSetCmpA ( etpwmREG7 , 4095) ; else if( input_an8 == true ) etpwmSetCmpA ( etpwmREG7 , ( unsigned int )( adc_data [2]. value )); else etpwmSetCmpA ( etpwmREG7 , 0); MPU_vTaskDelay(50); } } 58 CAPÍTULO 7. ANEXO void vTask4(void *pvParameters) { while (1) { // Leemos la pantalla y si hay algun botón pulsado se activa la variable Lee_pantalla(); if(POSX >2 && POSX <38 && POSY >180 && POSY <220) input_1 = true ; else input_1 = false ; if(POSX >42 && POSX <78 && POSY >180 && POSY <220) input_2 = true ; else input_2 = false ; if(POSX >82 && POSX <118 && POSY >180 && POSY <220) input_3 = true ; else input_3 = false ; if(POSX >122 && POSX <158 && POSY >180 && POSY <220) input_4 = true; else input_4 = false ; if(POSX >162 && POSX <198 && POSY >180 && POSY <220) input_5 = true; else input_5 = false ; if(POSX >202 && POSX <238 && POSY >180 && POSY <220) input_6 = true; else input_6 = false ; if(POSX >242 && POSX <278 && POSY >180 && POSY <220) input_7 = true; else input_7 = false ; if(POSX >282 && POSX <318 && POSY >180 && POSY <220) input_8 = true; else input_8 = false ; // Pintamos la nueva pantalla Nueva_pantalla (0 xff ,0 xff ,0 xff); // Botones de salida ComColor (0 ,0 ,0 xff ); ComButton (4 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 ,"1"); ComButton (44 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 ,"2"); ComButton (84 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 ,"3"); ComButton (124 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 , "4"); ComButton (164 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 , "5"); ComButton (204 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 , "6"); ComButton (244 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 , "7"); ComButton (284 ,180 ,32 ,50 ,28 ,256 , "8"); // Bordes negros de los círculos ComColor (0 ,0 ,0) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (20 ,40) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (60 ,40) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (100 ,40) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (140 ,40) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (180 ,40) ; 59 ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (220 ,40) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (260 ,40) ; ComPointSize(19); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (300 ,40) ; // Segun si esta la salida a 1 o no rellenamos de blanco o de rojo if( input_dig1 == true || input_1 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (20 ,40) ; if( input_dig2 == true || input_2 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (60 ,40) ; if( input_dig3 == true || input_3 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (100 ,40) ; if( input_dig4 == true || input_4 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (140 ,40) ; if( input_dig5 == true || input_5 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (180 ,40) ; if( input_dig6 == true || input_6 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (220 ,40) ; if( input_dig7 == true || input_7 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (260 ,40) ; if( input_dig8 == true || input_8 == true ) ComColor (0xff ,0 ,0) ; else ComColor (0xff ,0 xff ,0 xff ); 60 CAPÍTULO 7. ANEXO ComPointSize(17); Comando ( CMD_BEGIN_POINTS ); ComVertex2ff (300 ,40) ; // Texto con el valor de anal ó gica ComColor (0 ,0 ,0) ; if( input_an1 == true ) { voltage1 = ( adc_data [3]. value ) /1240; sprintf ( cadena1 , " %.1fV", voltage1 ); ComTXT (40 ,90 ,28 , OPT_CENTERX , cadena1 ); } else ComTXT (40 ,90 ,28 , OPT_CENTERX ,"0V"); if( input_an2 == true ) { voltage1 = ( adc_data [4]. value ) /1240; sprintf ( cadena1 , " %.1fV", voltage1 ); ComTXT (120 ,90 ,28 , OPT_CENTERX , cadena1 ); } else ComTXT (120 ,90 ,28 , OPT_CENTERX ,"0V"); if( input_an3 == true ) { voltage1 = ( adc_data [1]. value ) /1240; sprintf ( cadena1 , " %.1fV", voltage1 ); ComTXT (200 ,90 ,28 , OPT_CENTERX , cadena1 ); } else ComTXT (200 ,90 ,28 , OPT_CENTERX ,"0V"); if( input_an4 == true ) { voltage1 = ( adc_data [0]. value ) /1240; sprintf ( cadena1 , " %.1fV", voltage1 ); ComTXT (280 ,90 ,28 , OPT_CENTERX , cadena1 ); } else ComTXT (280 ,90 ,28 , OPT_CENTERX ,"0V"); if( input_an5 == true ) { voltage1 = ( adc_data [5]. value ) /1240; sprintf ( cadena1 , " %.1fV", voltage1 ); ComTXT (40 ,140 ,28 , OPT_CENTERX , cadena1 ); } else ComTXT (40 ,140 ,28 , OPT_CENTERX ,"0V"); if( input_an6 == true ) { voltage1 = ( adc_data [7]. value ) /1240; sprintf ( cadena1 , " %.1fV", voltage1 ); ComTXT (120 ,140 ,28 , OPT_CENTERX , cadena1 ); } else ComTXT (120 ,140 ,28 , OPT_CENTERX ,"0V"); if( input_an7 == true ) { 61