DISEÑO DE UN SISTEMA EMBEBIDO UTILIZANDO EL SOFTWARE ARES DE PROTEUS PROFESIONAL CON ENTORNO VISUAL TRIDIMENSIONAL
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Tercer Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones
DISEÑO DE UN SISTEMA EMBEBIDO UTILIZANDO EL
SOFTWARE ARES DE PROTEUS PROFESIONAL CON
ENTORNO VISUAL TRIDIMENSIONAL
Ing. Bryam Huamanchumo Baca
Universidad Nacional de Piura
Piura
Perú
Correo-e: webmaster@mikroingenieria.com; proyectos@mikroingenieria.com
Abstracto. La tecnología avanza de una manera sorprendente donde la era digital está incursionando
en todos los campos de la Ingeniería. Su desarrollo en las últimas décadas se encuentra en el
procesamiento de datos a través de sistemas embebidos para dar soluciones óptimas y específicas
para el usuario. Por esta razón en el presente trabajo se ha diseñado un Sistema Embebido utilizando
el software Ares de Proteus Profesional con entorno visual tridimensional, para permitir a los
principiantes y profesionales realizar diversas aplicaciones y proyectos con los Microcontroladores
PIC de Microchip, con sus diversos módulos y protocolos de comunicación que soporta la tarjeta
electrónica. Asimismo nos permitirá ver las funcionalidades de la herramienta digital para el diseño
de nuestros sistemas embebidos en el futuro.
1. Introducción Generalmente, los sistemas embebidos emplean
procesadores muy básicos, relativamente lentos y
El desarrollo de los sistemas embebidos tiene sus memorias pequeñas para minimizar los costos.
raíces en la invención del circuito integrado, el
desarrollo constante en el campo de la electrónica En estos sistemas la velocidad no solo está dada por
digital ha dado lugar a dispositivos cada vez más la velocidad del reloj del procesador, sino que el total
complejos. Entre ellos los microprocesadores y los la arquitectura se simplifica con el fin de reducir
microcontroladores, núcleos principales de cualquier costos.
sistema embebido.
Un sistema embebido es una combinación de Normalmente, un sistema embebido emplea
hardware y software de computadora, sumado tal vez periféricos controlados por interfaces seriales
a algunas piezas mecánicas o de otro tipo, diseñado síncronas, las cuales son muchas veces más lentas
para tener una función específica. Es común el uso de que los periféricos empleados en un PC.
estos dispositivos pero pocos se dan cuenta que hay
un procesador y un programa ejecutándose que les
permite funcionar.
Un uso muy común de los sistemas embebidos es en
los sistemas de tiempo real, entendiéndose por
sistemas en tiempo real a aquellos sistemas en los que
el control del tiempo es vital para el correcto
funcionamiento. Los sistemas en tiempo real
necesitan realizar ciertas operaciones o cálculos en un
límite de tiempo. Donde ese límite de tiempo resulta
crucial.
2. Sistemas Embebidos
Las principales características de un sistema Fig. 1. Sistema embebido Explorer 16 Development
embebido son el bajo costo y consumo de potencia Board de Microchip Technology INC.
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2.1. Software de Diseño Electrónico 2.2. Diseño del Sistema Embebido
ARES es la herramienta de la suite Proteus Para el diseño del esquemático del sistema embebido
Profesional dedicada al diseño de placas de circuito se ha desarrollado con la ayuda de la herramienta
impreso (PCB). Está plenamente integrada con la ISIS de Proteus Profesional. Asimismo el sistema
herramienta ISIS. embebido consiste en un Entrenador de
Microcontroladores PIC para 18, 28 y 40 pines, con
Una vez diseñado en ISIS el esquema electrónico, se una variedad de módulos integrados a la tarjeta y un
genera automáticamente la lista de redes (NETLIST). socket para módulos opcionales, por la cual se le ha
Una red es un grupo de pines interconectados entre sí denominado Bus MKI.
y la lista de redes es una lista con todas las redes que
forman nuestro diseño. ARES es capaz de recibir esta El sistema embebido desarrollado en Ares de Proteus
lista de redes para diseñar, a partir de ella, nuestra Profesional está conformado por los siguientes
placa de circuito impreso. De esta forma nos módulos:
aseguramos que nuestra placa tendrá unidos entre sí
los pines de forma idéntica a como los hemos 1. Fuente de alimentación externa y por puerto
definido en nuestro esquema electrónico. USB: La alimentación externa contiene un
conector jack hembra para fuentes de +/-9V y
500mA, con regulador de voltaje 7805 para
salidas +5V. Para hacer uso de la alimentación
por puerto USB, requiere conmutar el interruptor
JP1. Además contiene un regulador REG1117A
para voltaje de salida +3.3V para alimentar ciertos
dispositivos que requieren este nivel voltaje.
Fig. 2. PCB Layout en Ares de Proteus Profesional
Ares incluye ahora un motor de presentaciones en 3D
en las versiones más altas (nivel 2 o superior),
posibilitando la visualización en tres dimensiones de
nuestra tarjeta antes de implementar el prototipo o
Fig. 4. Fuente de alimentación externa y por USB
sistema embebido.
2. Módulo Puerto USB: Este módulo permite
Podemos disponer de diferentes vistas de la imagen
realizar aplicaciones con el protocolo USB
visualizada, girarla, hacer zoom sobre ella, etc.
usando microcontroladores PIC de la serie 18F
También podemos seleccionar el nivel de detalle de
la visualización.
Fig. 5. Módulo puerto USB
Fig. 3. Entorno visual tridimensional de Ares
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3. Módulo Temperatura (LM35 - DS18B20): 6. Módulo LCD 16x2 modo 4 bits: Permite utilizar
Permite realizar aplicaciones con el sensor de una pantalla LCD 16x2 caracteres, con
temperatura analógico LM35 y el sensor de potenciómetro para regular la luminosidad de la
temperatura digital DS18B20, conectados a los pantalla. Solo trabaja en modo de 4 bits,
pines RA0 y RA1 de los microcontroladores PIC conmutando el puerto B o puerto D del
de 18, 28 y 40 pines microcontrolador.
Nota: Por precaución de la tarjeta no conmutar
ambos puertos B y D para usar al mismo tiempo
con el microcontrolador. La forma correcta es
activar el dipswitch del puerto B y desactivar el
dipswitch del puerto D o viceversa.
Fig. 6. Módulos de Temperatura
4. Módulo de entradas analógicas: Permite utilizar
el ADC interno de los microcontroladores de 18,
28 y 40 pines. Utiliza los pines RA0, RA1, RA2,
RA3.
Fig. 9. Módulo 16x2 modo 4 bits
7. Módulo GLCD KS0108: Permite utilizar una
pantalla gráfica LCD 128x64 caracteres con el
controlador de Samsung KS0108, contiene un
Fig. 7. Módulo entradas analógicas potenciómetro para regular la luminosidad de la
pantalla. Tiene dipswitch para conectar el puerto
5. Módulo comunicación serial RS232: Contiene B para el bus de control y el puerto D para el bus
un max232, para adaptar los niveles de voltaje: de datos.
a) Recepción de datos desde el PC a la tarjeta
electrónica: RS232 (-15V a +15V) a TTL (0 a
+5V)
b) Transmisión de datos desde la tarjeta
electrónica a la PC: TTL (0 a +5V) a RS232
(-15V a +15V)
Fig. 8. Módulo comunicación serial RS232 Fig. 10. Módulo GLCD KS0108
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8. Módulo PS/2: El conector está destinado 11. Módulo teclado matricial interno y externo:
principalmente a teclado de la computadora, Permite utilizar un teclado 4x4 conectado al
mediante él y el microcontrolador podernos puerto B. También tiene 8 pines para utilizar el
capturar los caracteres que presionemos. Las teclado con otros puertos del microcontrolador
entradas de Data y Clock están conectadas a los
pines RC0 y RC1 respectivamente.
Fig. 11. Módulo PS/2
Fig. 14. Módulo teclado matricial
9. Módulo IrDA: Permite utilizar el receptor
infrarrojo TSOP1738 para recibir datos como en 12. Módulo SRF04: Permite conectar el sensor
el caso de los controles remoto a una frecuencia ultrasonido para detectar objetos y calcular la
de modulada de 38KHz distancia a la que se encuentra en un rango de 3 a
300 cm.
Fig. 12. Módulo IrDA
Fig. 15. Modulo SRF04
10. Módulo entradas digitales: Permite enviar datos
digitales (0 y 1 lógicos) al puerto D. También 13. Módulo servomotores: Permite conectar dos
tiene 8 pines para utilizar las entradas digitales en servomecanismos utilizando los pines de VDD,
otros puertos del microcontrolador GND y Control. Los pines de Control van
conectados a RC1 y RC2 del microcontrolador
Fig. 13. Módulo entradas digitales Fig. 16. Módulo servomotores
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14. Módulo BUS MKI: Permite utilizar un socket
para conectar módulos externos donde utilicen
protocolos SPI, UART, I2C. Además contiene 2
pines PWM, un pin de interrupción, un pin reset,
un pin chip Select, un pin de entrada analógica,
pines de alimentación VDD y +3.3V, y pin GND.
El Bus MKI permite utilizar módulos externos
como los módulos RTC DS1307, potenciómetro
digital MCP41010, memoria MMC SD,
ADC0832 de 8 bits, memorias seriales EEPROM
24LC256, etc
Fig. 19. Módulo Buzzer
17. Módulo Stepper motor: Permite controlar
motores paso a paso por medio de transistores
Darlington que tienen una alta ganancia de
corriente.
Fig. 17. Módulo Bus MKI
15. Módulo sensor de presión: Permite utilizar el
sensor MPX4115, para medir la presión y la
temperatura conectado al pin RA0 del
microcontrolador.
Fig. 20. Módulo Stepper motor
18. Módulo de LEDs salidas digitales: Permite
visualizar el estado en alto o bajo de las salidas
digitales del microcontrolador mediante la
activación de led’s.
Fig. 18. Módulo sensor de presión
16. Módulo Buzzer: Permite utilizar un transductor
de audio, necesita una señal alterna (frecuencia)
aplicada entre sus extremos. Esta frecuencia será
la que producirá el sonido. Además utiliza un
transistor para amplificar la señal. La entrada del
buzzer se conecta al pin RE0 del
microcontrolador.
Fig. 21. Módulo de Led´s salidas digitales
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19. Módulo de displays de 7 segmentos: Permite 22. Módulo acelerómetro ADXL3xx: Permite
utilizar 4 displays de cátodo común, están utilizar un acelerómetro analógico ADXL3xx,
distribuidos para usarse en forma multiplexada. para medir la aceleración de un objeto en sus tres
Los 7 segmentos del displays se conectan al ejes X, Y y Z.
puerto B o puerto D según la conmutación de los
jumpers. Los pines de activación de los displays
están controlados por transistores NPN con sus
bases conectadas con resistencias serie a los pines
RA0, RA1, RA2, RA3
Fig. 25. Módulo acelerómetro ADXL3xx
Fig. 22. Módulo de displays de 7 segmentos
23. Módulo RS485: Permite comunicaciones donde
20. Módulo conector de puertos del las distancias del puerto RS232 son insuficientes.
Microcontrolador de 18/28/40 pines: Socket Puede optar por usar el puerto RS485, aunque este
para módulos con microcontroladores de 18, 28 y tipo de comunicación sea half dúplex, se pueden
40 pines. Uso de conectores para puertos A, B, C, lograr distancias de hasta 1200 mts. mediante dos
D y E. cables de comunicaciones y cables de
alimentación.
Fig. 23. Módulo para conectores de puertos del
microcontrolador
Fig. 26. Módulo de comunicación RS485
21. Módulo Socket del Microcontroladores de 40
pines: Permite conectar mediante el socket a la
tarjeta electrónica microcontroladores de 40 pines 3. PCB Layout del Sistema
Embebido
El diseño del sistema embebido desarrollado en ISIS,
nos permitirá generar el PCB Layout de la tarjeta
electrónica en Ares de Proteus, teniendo las
siguientes características generales:
- Tipo de PCB: doble capa
- Estilo de trazo: DEFAULT
Fig. 24. Módulo socket del microcontrolador de - Ancho de trazo: 20th
40 pines
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- Estilo de Pads circular: DEFAULT 4. Entorno Visual Tridimensional
- Diametro circular: 30th Proteus Profesional tiene una aplicación denominada
3D Visualizer, en la cual permite visualizar el
- Drill Mark: 15th entorno tridimensional de nuestro sistema embebido
desarrollado en ISIS y ARES. Para mayor detalle
- Drill Hole: 15th observar el video de demostración en Youtube:
- Guard Gap: 10th http://www.youtube.com/watch?v=TrSJfcH2XaU
- Para determinar las características de Rutado
Automático para POWER y SIGNAL
Fig. 27. Configuración para Rutado Automático
Power y Signal
Fig. 28. PCB Layout del Sistema Embebido Fig. 29. Galería de imágenes del sistema embebido
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Visualización del módulo Socket para Observar el video de demostración en Youtube:
Microcontroladores de 40 pines, que se insertará en la
tarjeta electrónica principal donde dice MCU Card. http://www.youtube.com/watch?v=FUpKKe7j62A
Observar el video de demostración en Youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=uicUrIs2lPs
Fig. 32. Módulo MKI MMC SD externo
5. Conclusiones
A continuación se describen las conclusiones del
desarrollo del sistema embebido utilizando el
software Ares de Proteus Profesional con entorno
visual tridimensional:
- El software como herramienta digital nos permite
el diseño en todas sus fases de cualquier sistema
embebido que se pretenda desarrollar antes de
realizar su montaje físicamente.
Fig. 30. Módulo Socket para microcontroladores de - Las funcionalidades de ISIS de Proteus, están
40 pines orientadas a la simulación electrónica antes de su
implementación, para verificar el correcto
Los Módulos MKI nos permiten utilizar otros funcionamiento de nuestra tarjeta electrónica.
módulos externos como los módulos MMC SD, RTC
DS1307, potenciómetro digital MCP41010, - El desarrollo del PCB Layout en ARES de
ADC0832 de 8 bits, memorias seriales EEPROM Proteus, nos permite rutear nuestro circuito con
24LC256, etc las librerías exportadas de ISIS, con
características del ruteo automático como estilo
de trazo, ancho de trazo, estilo de pad circular,
diámetro circular, Drill Mark, Drill Hole, etc.
- La aplicación 3D Visualizer de ARES nos
permite visualizar el entorno tridimensional del
diseño PCB de la tarjeta electrónica, siendo una
herramienta fundamental antes de realizar el
montaje físico de los dispositivos.
- El diseño del sistema embebido utilizando el
software Ares de Proteus Profesional con entorno
visual tridimensional, permitirá a principiantes y
Fig. 31. Módulo MKI tridimensional profesionales, realizar diversas aplicaciones y
proyectos con los Microcontroladores PIC de
El Módulo MKI MMC SD externo sirve para realizar Microchip, con sus diversos módulos y protocolos
aplicaciones con memorias MMC SD. Este módulo de comunicación que soporta la tarjeta
se insertará en la tarjeta electrónica principal donde electrónica.
dice BUS MKI.
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6. Referencias
[1] Angulo Usategui J.M., Romero Yesa S., Angulo
Martínez I.: Microcontroladores PIC: Diseño
práctico de aplicaciones, 2ª parte; McGraw Hill;
2ª edición; 2006.
[2] Electrónica HIFI: Manual de la tarjeta
entrenadora de Microcontroladores PIC modelo
HKF-010U, pp. 12–30.
http://www.mikroingenieria.com/ArchivosPDF/
MANUAL%20HFK-010U.pdf
[3] Huamanchumo Baca, Bryam: Mikroingeniería
Proyectos con Microcontroladores.
http://www.mikroingenieria.com
[4] Martín Cuenca E., Angulo Usategui J.M.,
Angulo Martínez I.: Microcontroladores Pic;
Paraninfo, 5ª edición, 2001.
[5] Microchip Technology INC. Data Sheet PIC
16F87XA. pp. 01-03.
http://ww1.microchip.com/downloads/en/Devic
eDoc/39582C.pdf
[6] Mikroelektronika: Manual de EasyPIC v7
Development System, pp. 08-33.
http://www.mikroingenieria.com/ArchivosPDF/
MANUAL%20HFK-010U.pdf
[7] Valdés Pérez F.: Microcontroladores:
Fundamentos y aplicaciones con PIC; Pallás.
Areny; Alfaomega; 2007.
Congreso 2014, Página 9
“Copyright ©2014. “Bryam Huamanchumo Baca”: El autor delega a la Organización del Tercer Congreso
Virtual de Microcontroladores la licencia para reproducir este documento para los fines del Congreso ya sea que
este artículo se publique en el sitio web del congreso, en un CD o en un documento impreso de las ponencias del
Tercer Congreso Virtual de Microcontroladores y sus aplicaciones.
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