Proyecto Carlos Calderon Analizador Logico

UNIVERSIDAD DE LEÓN

ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIAL,

INFORMÁTICA Y AERONÁUTICA

DISEÑO DE UN ANALIZADOR LÓGICO VIRTUAL

Carlos Calderón Aller

León, Diciembre 2012

Diseño de un analizador lógico virtual

Este proyecto ha sido redactado como Trabajo Fin de Carrera por el alumno de la Escuela de Ingeniería Industrial e Informática de León, en la rama de la Ingeniería Técnica Industrial especialidad Electricidad, con intensificación en Electrónica, Regulación y Automatismos.

La tutoría para la realización de este proyecto ha sido llevada a cabo por

TUTOR/ES DEL PROYECTO

Fdo.:

Fdo.:

AUTOR DEL PROYECTO

Fdo.:

VºBº OFICINA TÉCNICA

Fdo.: Manuel Castejón Limas

AGRADECIMIENTOS

A mi familia y amigos.

A mis tutores.

Al profesor José Manuel Ruiz Gutiérrez.

Resumen.BIBLIOGRAFÍA

Resumen En este trabajo se define el diseño e implementación de un analizador lógico

virtual. El estudio del analizador lógico tradicional y la incursión en el mundo tecnológico de la instrumentación virtual son primordiales para la compresión y el posterior desarrollo de este trabajo. La virtualización se elabora con el software de código abierto “Myopenlab” (versión 3.0.3.2). El control y la conexión entre el instrumento virtual y el circuito lógico a comprobar se realizan a través de la tecnología de la placa de adquisición de datos desarrollada por “Arduino” (modelo Duemilanove), también en código abierto. Con todo ello, se consigue un instrumento virtual eficiente e interactivo con el que poder desarrollar futuros estudios o investigaciones dentro del campo de la electrónica digital. El analizador lógico virtual permite el análisis, comprobación y comprensión de diferentes circuitos lógicos digitales de una forma más sencilla, económica, dinámica, útil y práctica.

Abstract This project defines the design and implementation of a virtual logic analyzer.

The study of traditional logic analyzer and the foray into the world of virtual instrumentation technology are essential for the understanding and further development of this work. Virtualization is made with open-source software “MyOpenLab” (version 3.0.3.2). The control and virtual connection between the instruments and to verify the logic circuit are made through the plate technology developed by data acquisition “Arduino” (Duemilanove model), also open-source. With all this, you get an efficient and interactive virtual instrument with which to develop future studies or research in the field of digital electronics. The virtual logic analyzer allows the analysis and understanding of different testing digital logic circuits in a more simple, inexpensive, dynamic, useful and practical.

Objetivos.BIBLIOGRAFÍA

Objetivos El objetivo primordial del presente documento técnico es la consecución de la

implementación de un instrumento virtual como es el analizador lógico, con la intención de aplicar su uso en el ámbito de la educación superior.

Objetivos generales:

1. Establecer las ideas necesarias para comprender el concepto y la importancia de la instrumentación virtual en la actualidad.

2. Aprender a manejar software de programación gráfica, sus posibilidades y limitaciones.

3. Afianzar en profundidad los conocimientos sobre tarjetas de adquisición de datos.

4. Establecer un diseño propio de un interfaz gráfico de usuario. 5. Conseguir el correcto funcionamiento del trabajo a través de ejemplos

prácticos.

Objetivos específicos:

1. Afianzar el estudio del funcionamiento y rutinas del analizador lógico.

2. Conocer las partes fundamentales del analizador lógico. 3. Implementar un diseño viable para un analizador lógico virtual

utilizando como herramienta de programación “Myopenlab” y tarjeta de adquisición de datos tipo “Arduino”.

Índice de contenidos.

II

0 Introducción ......................................................................................................... 10

1 Instrumentación Virtual frente a instrumentación tradicional. ............................... 11

1.1 Instrumentación tradicional ........................................................................... 11

1.1.1 Equipos de medida ........................................................................ 12

1.1.2 Equipos de medida de datos múltiples ........................................... 13

1.1.3 Sistemas de telemetría ................................................................... 13

1.1.4 Equipos de control ......................................................................... 14

1.2 El analizador lógico ...................................................................................... 15

1.2.1 Arquitectura básica ........................................................................ 16

1.2.2 Descripción de su funcionamiento ................................................. 18

1.2.3 Modos de funcionamiento ............................................................. 19

1.2.4 Características y parámetros .......................................................... 20

1.3 Instrumentación virtual ................................................................................. 21

1.3.1 Descripción ................................................................................... 21

1.3.2 Componentes del instrumento virtual............................................. 23

1.3.3 Ventajas frente a la instrumentación tradicional ............................. 25

2 Desarrollo del trabajo ........................................................................................... 27

2.1 Uso didáctico ................................................................................................ 28

2.2 Software utilizado ......................................................................................... 29

2.2.1 Características ............................................................................... 29

2.2.2 Aplicaciones .................................................................................... 30

2.2.2 Entorno de trabajo ......................................................................... 30

2.3 Hardware utilizado ........................................................................................ 37

2.3.1 Elementos importantes .................................................................. 37

2.3.2 Especificaciones del modelo .......................................................... 38


II

2.3.3 Software de “Arduino” .................................................................. 40

2.4 Diseño de la interfaz gráfica .......................................................................... 41

2.4.1 Factores implicados ....................................................................... 41

2.4.2 Partes fundamentales ..................................................................... 42

2.4.3 Desarrollo del diseño ..................................................................... 44

2.4.4 Funcionamiento virtual .................................................................. 48

2.4.5 Demostraciones prácticas .............................................................. 51

CONCLUSIONES ...................................................................................................... 53

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 54

Anexo A Arduino Duemilanove .................................................................................. 56

A.1 Vis ión genera l ............................................................................. 56

A.2 Resumen ........................................................................................ 56

A.3 Alimentac ión ............................................................................... 57

A.4 Memor ia ........................................................................................ 58

A.5 Ent radas y Sa l idas ..................................................................... 58

A.6 Comunicac io nes .......................................................................... 59

A.7 Programac ió n............................................................................... 60

A.8 Re inic io Automát ico (Software) ............................................ 60

A.9 Prot ección cont ra sobret ens iones en USB .......................... 61

A.10 Caract er íst icas Fís icas ........................................................... 61

Anexo B Esquema de “Arduino Duemilanove” ........................................................... 62

Anexo C Correspondencia de pines entre ATmega168/328 y Arduino......................... 63

Anexo D Analizador lógico USB-LOGI-100 ........................................................... 64

Anexo E Osciloscopio registrador PKT-1230 .............................................................. 67


IV

Fig. 1 Osciloscopio tradicional. .............................................................................................................. 11 Fig. 2 Analizador lógico tradicional. ...................................................................................................... 11 Fig. 3 Generador de ondas tradicional. .................................................................................................. 12 Fig. 4 Voltímetro. .................................................................................................................................. 12 Fig. 5 Multímetro. ................................................................................................................................. 13 Fig. 6 Telemetría mediante Intranet. ..................................................................................................... 13 Fig. 7 Analizador lógico convencional. ................................................................................................... 15 Fig. 8 Diagrama de bloques del analizador lógico. ................................................................................. 17 Fig. 9 Diagrama de flujo del funcionamiento básico............................................................................... 18 Fig. 10 Esquema de modos de funcionamiento ...................................................................................... 19 Fig. 11 Analizador lógico de bajo coste. ................................................................................................. 20 Fig. 12 Analizador lógico de alta gama. ................................................................................................. 20 Fig. 13 Instrumento Virtual e Instrumento Tradicional. .......................................................................... 21 Fig. 14 Niveles de la instrumentación virtual. ........................................................................................ 24 Fig. 15 Ejemplo de un interfaz gráfico de usuario................................................................................... 27 Fig. 16 Panel Circuito. ........................................................................................................................... 31 Fig. 17 Panel Frontal. ............................................................................................................................ 31 Fig. 18 Proyectos. ................................................................................................................................. 32 Fig. 19 Librería Panel Circuito. ............................................................................................................... 32 Fig. 20 Librería Panel Frontal. ............................................................................................................... 33 Fig. 21 Editor de Propiedades. ............................................................................................................... 34 Fig. 22 Menú contextual de elemento concreto. .................................................................................... 34 Fig. 23 Barra de botones. ...................................................................................................................... 35 Fig. 24 Tipo de dados. ........................................................................................................................... 35 Fig. 25 Diagrama de flujo con variables. ................................................................................................ 36 Fig. 26 Arduino Duemilanove. ............................................................................................................... 37 Fig. 27 Bloque de inicio. ........................................................................................................................ 42 Fig. 28 Área de Entradas Digitales. ........................................................................................................ 43 Fig. 29 Área de Entradas Analógicas. .................................................................................................... 43 Fig. 30 Área de Salidas Digitales. ........................................................................................................... 43 Fig. 31 Lenguaje Arduino. ..................................................................................................................... 44 Fig. 32 Ejemplo práctico. ....................................................................................................................... 45 Fig. 33 Elementos Gráficos. ................................................................................................................... 45 Fig. 34 Componente Arduino. ................................................................................................................ 46 Fig. 35 Panel Circuito del Analizador Lógico. .......................................................................................... 47 Fig. 36 Abrir Proyecto. .......................................................................................................................... 49 Fig. 37 Ventana de Errores y Advertencias. ............................................................................................ 49 Fig. 38 Barra de Botones. ...................................................................................................................... 50 Fig. 39 Interfaz virtual. .......................................................................................................................... 50 Fig. 40 Integrado puertas AND. ............................................................................................................ 51 Fig. 41 Tabla de Función lógica AND...................................................................................................... 51 Fig. 42 Montaje LDR. ............................................................................................................................ 52

Tabla 1 Diferencias entre instrumentación tradicional y virtual. ............................................................. 26

Fig. A 1 Arduino Duemilanove ............................................................................................................... 56


IV

Fig. B 1 Esquema Arduino Duemilanove ................................................................................................ 62

Fig. C 1 Conexionado Atmega 168 / 328 ............................................................................................... 63

Fig. D 1 Analizador lógico USB-LOGI-100 ............................................................................................... 64 Fig. D 2 Visualización en el analizador lógico. ........................................................................................ 66 Fig. D 3 Cables de medición de 20 pines ................................................................................................ 66 Fig. D 4 Micro-klebs .............................................................................................................................. 66

Fig. E 1 Osciloscopio registrador PKT-1230 ............................................................................................ 67

Introducción.

10

0 Introducción En este proyecto se va a realizar el diseño virtual de un analizador lógico con el

objetivo de adentrarse y comprender de una forma práctica la electrónica digital en el ámbito docente.

Para ello se procederá al estudio y conocimiento de los analizadores lógicos convencionales como instrumento de medida, sus características básicas, funcionamiento y sus propiedades. También es necesario entrar en la compresión y cada vez más creciente uso de la instrumentación virtual frente a la instrumentación virtual. Esto es una gran ventaja en un espacio como es el de la enseñanza ya que un equipo convencional de medida requiere mayor presupuesto y un mantenimiento que con la instrumentación virtual no son necesarios ya que se cuenta con el procesador y monitor de un ordenador común (PC), además de la tarjeta de adquisición de datos necesaria.

Para conseguir desarrollar el diseño se cuentan con varias herramientas como son el software “Myopenlab” y el hardware “Arduino”. Dichas herramientas son adquiridas fácilmente ya sea mediante descarga en la propia página web del producto o en el caso del hardware por un precio reducido en cualquier tienda especializada. Se ha tomado la decisión del uso de estas herramientas porque se tratan de dispositivos libres en “código abierto”, otra ventaja a la hora de no tener que pagar licencias con su correspondiente coste y la posible mejora de los dispositivos por parte de especialistas.

Todo ello permitirá el desarrollo virtual necesario para conseguir un instrumento esencial y útil dentro del campo de la lógica digital como es el analizador lógico virtual, que nos permitirá capturar, analizar, procesar y visualizar diferentes tipos de sistemas digitales con el propósito de mejorar en la adquisición y afianzamiento de los conocimientos teóricos de la electrónica digital mediante casos prácticos.

El presente documento estará dividido en dos partes bien diferenciadas:

Por un lado el estudio y la comprensión de la importancia creciente de los instrumentos virtuales frente a los tradicionales equipos instrumentales, justificando a la vez la realización del proyecto en cuestión.

Por otro lado, el núcleo de desarrollo del proyecto justificando su realización con fines didácticos, exponiendo las herramientas usadas y la forma de manejarlas, el diseño y la implementación del interfaz gráfico de usuario para el analizador lógico virtual. La experimentación práctica con diferentes pruebas generará unos resultados determinados que serán expuestos, previos a la conclusión final que determine este proyecto.

Instrumentación Vritual frente a intrumentación tradicional.

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1 Instrumentación Virtual frente a instrumentación tradicional.

1.1 INSTRUMENTACIÓN TRADICIONAL

Cualquier proceso, bien sea industrial o en investigación, requerirá generalmente de comprobaciones y medidas necesarias para la optimización y evaluación de dicho proceso. Por ello son necesarios diferentes instrumentos plenamente físicos que determinen dichas medidas las variables a considerar. Los equipos de instrumentación están diseñados como aplicación directa de los conocimientos humanos para facilitar el trabajo costoso que resultaría de realizar medidas y determinar valores de forma manual o mental.

El instrumento tradicional, como un osciloscopio, un analizador lógico o un generador de ondas (Fig.1, Fig.2, Fig.3), es totalmente fijado y aislado por su fabricación, por lo que no cabe a penas su mejora o modificación. Básicamente está formado por un conjunto de entradas y salidas fijadas y no-variables, una interfaz y un monitor que permite el control y la modificación de algunos parámetros de medida del equipo. Internamente se compone de amplificadores, conversores de señal, filtros, memorias de adquisición de datos, microprocesadores etc. Su comunicación entre buses para transformar y monitorizar la información de forma numérica o gráfica.

Fig. 1 Osciloscopio tradicional.

Fig. 2 Analizador lógico tradicional.


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Fig. 3 Generador de ondas tradicional.

Por eso se trata de un instrumento estático y cerrado que impide el cambio en su funcionamiento por pequeño que sea ya que de ser así, sería necesario modificar su sistema interno de circuitería electrónica, cosa poco útil y profesional.

Se pueden distinguir ampliamente los equipos de instrumentación catalogados, bien sean de medida o de control.

En un sistema de medida de un instrumento una magnitud es medida y su valor monitorizado posteriormente.

En cuanto al control por parte de la instrumentación tradicional su función es también la medida de una variable pero con la intención de conseguir un valor determinado para dicha variable, sea o no monitorizado.

1.1.1 Equipos de medida

Básicamente se trata de obtener un determinado valor de la medida que se requiera para su posterior visualización, por ejemplo un voltímetro (Fig.4).

Para conseguir transmitir los valores de medición, son necesarios utilizar sistemas de transmisión de información entre el bloque de medida y la monitorización. Los más usados son los sistemas electrónicos:

El transductor (sensor) transforma un valor físico en electrónico. El acondicionador de señal que adapta la señal eléctrica del transductor

para la posterior visualización. La fuente de alimentación proporciona la energía eléctrica necesaria. El visualizador que nos muestra la magnitud de la medida.

Fig. 4 Voltímetro.


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1.1.2 Equipos de medida de datos múltiples

En este caso se selecciona el transductor que se desea usar para la medida que queremos visualizar, como es el caso de un multímetro (Fig.5).

Para monitorizar varias magnitudes de medida durante periodos cortos de tiempo se puede realizar a través de un secuenciador que obtenga las salidas de los sensores. Por otro lado para una monitorización simultánea se puede utilizar un registrado multicanal.

1.1.3 Sistemas de telemetría

La transmisión de información mediante estos sistemas se suele realizar mediante radio o cable (Fig.6). Son usados en equipos de medida múltiple con alta frecuencia para enviar información a distancia.

Para ello se usa la modulación de señal mediante multiplexores, modulando la amplitud a frecuencia constante, o modulando la fase permaneciendo amplitud y frecuencia constantes, o bien modulando la frecuencia manteniendo su amplitud.

Fig. 6 Telemetría mediante Intranet.

Fig. 5 Multímetro.


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1.1.4 Equipos de control

Estos sistemas de control se usan para gobernar un proceso determinado, de forma manual o automática.

El instrumento electrónico se basa en principios eléctricos o electrónicos para realizar una medición. Un instrumento electrónico puede ser un aparato relativamente sencillo y de construcción simple.

Sin embargo, el desarrollo de la tecnología, demanda la elaboración de mejores instrumentos y más exactos. Ésta se ha incrementado, produciéndose nuevos diseños y aplicaciones de instrumentos. Para optimizar el uso de estos dispositivos se necesita entender sus principios de operación y valorar la importancia de las aplicaciones deseadas.

El uso de la instrumentación y comprender el funcionamiento de los instrumentos de mediciones comunes es de suma importancia para una gran variedad de personas, técnicos, ingenieros, etc. ya que es la base para la toma de decisiones de determinado proceso.

Hoy la mayor parte de estos instrumentos ha quedado casi obsoleto, esto, por el advenimiento de los nuevos equipos electrónicos y la miniaturización que ha venido a reemplazarlos.


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1.2 EL ANALIZADOR LÓGICO

Tanto en laboratorios académicos como en la industria, la instrumentación electrónica de medida es esencial para la comprobación de circuitos electrónicos, el análisis de posibles deficiencias o errores en las señales tanto analógicas como digitales, el aprendizaje practico del uso de la electrónica, etc.

Dentro del campo de la electrónica digital, el analizador lógico es una herramienta básica y clave para el análisis y visualización de circuitos lógicos (Fig.7). Su objetivo principal es la observación de los estados lógicos y de tiempos en un determinado circuito y su estudio dinámico en varios puntos o nodos de un mismo circuito. Para ello se puede recurrir a dos tipos de instrumentos, el osciloscopio digital que tiene una capacidad limitada aunque en la actualidad son mejorados, o el analizador lógico que cuanta con más prestaciones en cuanto a número de canales de muestra o su exactitud y definición de la señal digital, el cual nos interesa en este documento.

Un analizador lógico se puede definir como un equipo de medida que permite el análisis de circuitos electrónicos digitales mediante la captura de datos lógicos con valores discretos, su almacenamiento y monitorización de los estados lógicos y de tiempo en diferentes puntos del circuito.

En este apartado se expondrá de forma clara y global la idea y fundamentos del analizador lógico intentando no profundizar en especificaciones y detalles concretos, que pueden aclararse en los diferentes anexos del presente documento, con la finalidad de tener un concepto claro de qué es un analizador lógico para posteriormente entender su virtualización.

Fig. 7 Analizador lógico convencional.


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1.2.1 Arquitectura básica

Existen tres bloques bien diferenciados en un analizador lógico básico (Fig.8):

Etapa de entrada: Esta es la primera etapa, donde se produce la captura, el acondicionamiento y el muestreo de varias señales. Las diferentes señales del circuito que se quiere analizar son tomadas por sondas conectadas a sus canales correspondientes. Dichos canales detectan los niveles eléctricos que serán almacenados en la memoria de adquisición de datos.

Las señales analógicas pueden ser convertidas en datos tras pasar por los comparadores. Es posible definir el umbral que determine los niveles eléctricos que correspondan con los niveles lógicos 0 y 1. En el muestreo de la señal la frecuencia máxima de muestreo de la que depende el ancho de banda definiendo la capacidad o volumen de datos.

Control y adquisición: Este bloque está comprendido por la memoria de adquisición de datos y el reloj encargado del control.

o Dicho reloj puede ser interno o externo (generador interno de señal, muestreo asíncrono, o tomado de una señal de entrada, muestreo síncrono) y es el encargado de controlar la entrada de datos en la memoria y sincronizar cada señal de entrada con la señal de disparo que detecte.

o El disparo o trigger es usado para determinar el punto y estado en el que se quiere empezar a visualizar una señal, existiendo tres tipos de disparo: pre-disparo, que almacena en la memoria toda la información que existe a continuación del disparo, post-disparo, que almacena con anterioridad al disparo, e intermedio que almacena en memoria antes y después del disparo. También, dentro del muestreo asíncrono, existen diferentes métodos de disparo en relación con la pendiente, en ancho de pulso y el tiempo de la señal o patrones de señal.


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o Con la señal de reloj y la condición de disparo se controla la adquisición de datos en la memoria. Su tamaño especifica el número de muestras que se pueden guardar y su ancho determina el número de muestras que pueden ser adquiridas al mismo tiempo.

Visualización: Esta última etapa es la comprendida por la interface que muestra las señales que han sido almacenadas previamente en la memoria. En este bloque se puede editar las características y la forma de visualización de la adquisición de datos.

Fig. 8 Diagrama de bloques del analizador lógico.


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1.2.2 Descripción de su funcionamiento

Una vez puesto en marcha el analizador lógico, y colocadas las sondas de muestreo en el circuito, lo primero que se realiza es la configuración de sus parámetros (modo de funcionamiento, tipo de disparo, frecuencia de muestreo, el número de muestras, el tipo de visualización, etc.) que permitan el acondicionamiento de señal deseado. Por otro lado la memoria genera las direcciones donde se almacenarán los datos.

Cuando comienza el muestreo y se adquieren los datos en la memoria (Fig.9), se observa si el disparo ha actuado según lo previsto, si es así se termina de almacenar el número de muestras deseado y se procederá a su visualización, en caso contrario se seguirá almacenando datos en la memoria, hasta su capacidad máxima, volviéndose a generar nuevas direcciones de almacenamiento.

En el caso en que la captura de datos sea múltiple se volverá a generar nuevas direcciones, si es una sola captura se podrá volver al comienzo para modificar la configuración se así se desea.

Fig. 9 Diagrama de flujo del funcionamiento básico.


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1.2.3 Modos de funcionamiento

Como vimos anteriormente, existen dos tipos de señales de reloj que gobiernan el muestreo de las señales. El reloj interno en el aparato que genera su propia señal o un reloj externo que toma generalmente la señal de una muestra de la entrada como referencia para controlar la adquisición de muestras.

Si la señal de reloj usada es la interna, estaremos frente a un muestreo asíncrono. La frecuencia de la señal del reloj interno se puede configurar dentro de los márgenes que tiene la frecuencia de las señales de la entrada y la capacidad de la memoria. Este tipo de muestreo funciona como analizador de tiempos del sistema digital que se conecte, muestreando las ondas de las señales y compara si capturan ambos estados lógicos. En este caso la referencia en la visualización es de segundos por división. Dentro de este modo de funcionamiento también entra el análisis transicional, que almacena muestras de señal precedidas por un cambio o transición, ocupando así menos espacio en la memoria.

Por otro lado, si la señal de reloj es externa, el tipo de muestreo será síncrono. Este tipo de muestreo utiliza el modo de funcionamiento de un analizador de estados teniendo en cuenta la evolución de dichos cambios de estado. El muestreo se realiza en los flancos activos, mostrándose en el monitor con una referencia de estados por división.

Existe otro de funcionamiento llamado integridad de señal, el cual se encarga de evitar posibles daños en la calidad de la señal cuando se trabaja con altas frecuencias de muestreo y distancias considerables desde el circuito al instrumento.

Fig. 10 Esquema de modos de funcionamiento


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1.2.4 Características y parámetros

Las características principales y básicas a tener en cuenta son:

Frecuencia de muestreo

Velocidad de muestreo

Número de canales

Tamaño de memoria

Ancho de banda

Modos de muestreo

Modo de disparo

Resistencia de entrada

Rango de medición de señal de entrada

Valor límite de tensión

Sistema de datos (binario, decimal, hexadecimal…)

En los Anexos D y E se encuentran diferentes analizadores lógicos básicos con sus características específicas. En las siguientes imágenes (Fig.11, Fig.12) se aprecian dos analizadores lógicos diferentes, uno de bajo coste, de fácil manejo, y otro compacto, complejo y multifuncional.

Fig. 11 Analizador lógico de bajo coste.

Fig. 12 Analizador lógico de alta gama.


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1.3 INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1.3.1 Descripción

La instrumentación virtual viene precedida de los tradicionales equipos de instrumentación usados en laboratorios e instalaciones industriales (Fig.13).

Este concepto fue originado por National Instruments en el 2001, definido como “un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora y tiene sus funciones definidas por software”. Aunque fue en 1983 cuando se empezó a diseñar un software que pudiese ser utilizado en un ordenador personal como instrumento de medida.

En los últimos años ha aumentado la inversión en nuevas tecnologías de manera veloz, produciendo un cambio importante en el modo de trabajo y la producción. El instrumento virtual ha entrado en la ingeniería y la ciencia en general para convertirse en una herramienta esencial de adquisición de datos y visualización a distancia, dejando atrás a la instrumentación tradicional de equipos.

Fig. 13 Instrumento Virtual e Instrumento Tradicional.

La instrumentación virtual involucra tareas de procesamiento, análisis, almacenamiento y despliegue de datos relacionados con la medición de una señal específica, que varían dependiendo las necesidades del usuario; a diferencia de la instrumentación tradicional que se caracteriza por realizar funciones específicas que no pueden ser modificadas por el usuario ya que están definidas por el fabricante.

A pesar de su denominación como instrumento virtual, no se trata de equipos de simulación simplemente, ya que realmente son equipos de adquisición y procesamiento de datos de un sistema real.

Se llaman virtuales ya que sus operaciones son realizadas por un software que puede ser diseñado previamente, o por el mismo usuario teniendo al menos un mínimo de conocimientos. Este software es el encargado de diseñar los programas que definirán el instrumento. Esta parte virtual del instrumento es empaquetada en un computador


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tipo PC o cualquier estación de trabajo. La otra parte fundamental es el hardware que se encarga de la adquisición y adecuación de los datos de medida.

Todo esto permite una mayor capacidad de adaptación a los intereses de los usuarios sin necesidad de grandes costes adicionales además de las ventajas que ofrece la tecnología cada vez más avanzada de los ordenadores personales. Como su rendimiento o la conexión a redes de internet.

Al estar basado físicamente en un ordenador, a eficiencia del instrumento virtual está limitada por su hardware, velocidad, estructura, buses de comunicación, configuración de sus entradas y salidas. Esto es importante para saber cuáles son nuestras limitaciones a la hora del diseño y optimación de recursos.

Con la plataforma virtual adquirida, se puede diseñar la interface que se requiera y definir y modificar las funciones y apariencia del diseño. Con ello se consigue la clave principal del instrumento virtual que es el gobierno del instrumento desde un principio para adaptarlo a necesidades específicas, debido a que sus funciones pueden ser redefinidas tantas veces como se deseé.

El diseño del instrumento virtual se puede realizar mediante diferentes lenguajes de programación, dependiendo del software utilizado. Con la herramienta de software apropiada el diseñador del instrumento virtual es capaz de crear sus propias aplicaciones, implementando e integrando rutinas que requiere un proceso en particular.

El instrumento virtual se beneficia de los ordenadores convencionales (PC) por su bajo coste o de los equipos de trabajo industrial y su alto rendimiento para conseguir diseñar tanto el software como el hardware que nos dará opción a más accesibilidad y funcionalidad que un instrumento tradicional.

La mayor ventaja y función de un instrumento virtual es la capacidad que le da al usuario para determinar por él mismo las características, parámetros y funciones que le serán útiles en el futuro, controlando en todo momento sus limitaciones y capacidades de uso.

Mediante la virtualización instrumental se pueden obtener múltiples equipos virtuales desde osciloscopios hasta generadores de señal. Al igual que el instrumento tradicional se requiere de una inversión pero como ya sabemos, el software y hardware se pueden reconvertir y reutilizar a criterio del usuario según sus necesidades, por lo que ya no son necesarios varios instrumentos con funciones diferentes, sino herramientas básicas que nos permitan convertirlas en diferentes instrumentos según varíen nuestras necesidades y propósitos.


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1.3.2 Componentes del instrumento virtual

El instrumento virtual está formado por software y hardware, si bien es cierto que en la instrumentación tradicional dichas partes están bien definidas y cumplen estrictamente sus funciones sin posibilidad de cambio, aquí las posibilidades de modificaciones y su funcionalidad es muy amplia ya que puede ser diseñado por el usuario según sus intenciones. Por ello, se está evolucionando hacia estos sistemas de instrumentación.

La inclusión de diferentes dispositivos de adquisición de datos o tipos de medida en un mismo programa o aplicación hace que más rentable su uso, con un menor coste en equipos y mayor conocimiento del producto por parte del usuario que lo quiera modificar. También en el caso contrario, usando diferentes programas con un único dispositivo. Su compatibilidad con los instrumentos tradicionales, que cumplen funciones específicas, hace de ellos una herramienta para mejorarlos.

Los sistemas basados en ordenadores, que permiten desarrollar aplicaciones virtuales, tienen una estructura dividida en cuatro componentes fundamentales (Fig.14): hardware de adquisición de datos, acondicionamiento de señal, ordenador personal y software.

En primer lugar, el hardware de acondicionamiento de señal trata de amplificar, definir y filtrar y aislar la señal eléctrica de la medida para obtener mediciones más precisas. Dependiendo de cada señal y/o aplicación, se puede o no requerir el acondicionamiento de cada señal. Si la señal está en el rango de los +/- 5 Vdc y no se requiere de aislamiento o filtraje, la misma puede ser conectada directamente a la tarjeta de adquisición de datos.

Por otro lado, el hardware de adquisición de datos es fundamentar para realizar una aplicación de instrumentos virtuales ya que une directamente el contenido virtual con el contenido instrumental físico, donde se toma la medida de señal. La adquisición de señal o datos obtiene muestras del mundo físico propio donde se quiere realizar la medida o control para general datos que puedan ser interpretados y manipulados por un ordenador o cualquier sistema digital. Es la tarjeta de adquisición de datos (DAQ) propiamente dicha la que se encarga de esta función.

El ordenador o computadora, PC o portátil, afecta directamente al uso de la aplicación del instrumento virtual ya que puede potenciar o limitar sus funciones. Por ello hay que tener en cuenta el sistema operativo, las características hardware, y el software del que se dispone para obtener el mayor beneficio posible.

En cuanto al software, une el acondicionamiento de señales, la adquisición de datos y el PC en un completo programa de adquisición, generación, procesamiento, análisis y monitorización de datos. Por lo que es una parte fundamental y muy a tener en cuenta a la hora de implementar el instrumento virtual. Es necesario tener en cuenta varios puntos a la hora de escoger un software, por ejemplo la compatibilidad con el


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hardware de acondicionamiento y adquisición, el sistema operativo requerido en el PC, la flexibilidad y limitaciones propias o la complejidad del lenguaje de programación.

Para la posible programación de la aplicación virtual existen muchos lenguajes de programación en el mercado, C, C++, C#, algunos de forma “visual” como Visual Basic, Visual C, etc. Estos últimos son combinación de objetos gráficos y texto. También existen lenguajes de programación totalmente gráficos, sin necesidad de utilizar texto, el cual es que el permite la creación de instrumentos virtuales.

Este lenguaje de programación gráfica está formado por diferentes características: El uso de iconos, cables gráficos, controles e indicadores; programación en base a un diagrama de bloques; el uso de dos ventanas de programación: panel de controles y panel del diagrama; ejecución del programa en base al flujo de datos.

Los diagramas de bloques están formados por iconos y bloques gráficos interconectados entre sí. Cada bloque cuenta con unas entradas y salidas propias que determinan el bloque y a la vez el lenguaje o tipo de dato que usa el elemento concreto. Los bloques se ejecutan cuando reciben los datos en sus terminales de entrada, siendo una ejecución paralela a los demás elementos. Cada programa o aplicación de este tipo es llamada instrumento virtual (VI, por sus siglas en inglés), a la vez que se pueden crear varios sub-VI en el caso de que sea necesario y la aplicación diseñada sea de tamaño considerable.

De esta forma, se consigue diseñar una aplicación completa, basada en un lenguaje de programación intuitivo y fácil de aprender.

Fig. 14 Niveles de la instrumentación virtual.


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1.3.3 Ventajas frente a la instrumentación tradicional

Siendo la instrumentación virtual una herramienta que ofrece múltiples opciones de aplicación en medida, control remoto, simulación y adquisición de dato, existen varias ventajas por la que emplear este tipo de sistemas (Tabla 1).

En primer lugar, se consigue especificar el producto para el usuario en cuestión, y no por el fabricante, consiguiendo mejor rendimiento y mayor control y efectividad del instrumento. Además, a la hora de adquirirlo su coste es menor, y su mantenimiento casi nulo. Siendo más económico frente a los equipos tradicionales, que tienen un precio mayor debido a la fabricación de todo su hardware.

En cuanto a su accesibilidad y funcionalidad está más desarrollada, ya que su capacidad de conexión con otros elementos periféricos y otras redes y aplicaciones es casi ilimitada, también su portabilidad, ya que va incorporado a la computadora, industrial o personal. Al igual que su conexión con el mundo físico, el desarrollo software permite una puesta al día continua en cuanto avances en cualquier ámbito de investigación. Es su flexibilidad una de sus mejores ventajas, por lo que le hace un instrumento capaz de evolucionar y adaptarse según varían las necesidades.

En un instrumento virtual para PC, la composición y diseño de arquitectura es similar al de los tradicionales instrumentos de medida, a excepción de bloques concretos y circuitos propios de los equipos tradicionales. En ellos se encuentran microprocesadores, puertos para comunicación tarjetas de memoria y adquisición de datos, y monitores de visualización. Ahora bien, a la hora de llevar a cabo las instrucciones necesarias para el funcionamiento del instrumento, el tradicional utilizará seguramente un circuito integrado para llevar a cabo esas instrucciones de procesado de datos.

Sin embargo, en un instrumento virtual es el programa del software ejecutado desde el ordenador en encargo de realizar esta tarea. Esto significa que se puede flexibilizar el modo de funcionamiento de nuestro instrumento virtual ya que cabe la posibilidad de reprogramar nuestro software para modificar su ruta de instrucciones y así variar su actuación. Su única limitación en este caso sería la potencia de PC usado y las capacidades del hardware empleado.

Con la utilización de instrumentos virtuales se observa que es posible reducir los costes en inversión previa y mantenimiento de los equipos y a su vez mejorar constantemente la calidad y actualización del sistema.

Por ejemplo, existe un gran abanico de posible hardware para adquisición y acondicionamiento de datos a disposición del cliente con una amplia capacidad y funcionalidad lo cual recude notablemente el coste al no tener que utilizar un dispositivo dedicado para una función concreta, sino un dispositivo genérico para múltiples funciones que puede ser insertado en el ordenador o a través de red. El avance de la


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tecnología hacia este lado hace que cada vez se adquieran productos con mayores velocidades, rendimientos y calidad.

Un diferencia significativa entre instrumento tradicional y virtual es el punto clave de cada uno. En el caso del instrumento tradicional, lo significativo y primordial es el hardware ya que lo es casi todo, desde la interfaz que se comunica con el usuario mediante botones, variadores de parámetros y monitor, los circuitos electrónicos integrados que son el núcleo del equipo, etc. Sin posibilidad de intervención o modificación. En cambio, en un instrumento virtual lo que le define como tal es el software ya que es el que se carga de las mismas funciones que se encarga el hardware del instrumento tradicional pero con la posibilidad de mejora y adaptación al usuario.

La instrumentación virtual puede también ser implementada en equipos móviles como PC portátil, equipos distribuidos en campo, equipos a distancia (conectados vía radio, Internet, etc.), o equipos industriales.

La flexibilidad, el bajo costo de mantenimiento, la reutilización, la personalización de cada instrumento, la rápida incorporación de nuevas tecnologías, el bajo costo por función, el bajo costo por canal, etc. Son algunos de los beneficios que ofrece la instrumentación virtual.

Instrumento tradicional Instrumento virtual Definido por el fabricante Definido por el usuario Funcionalidad específica, con conectividad limitada.

Funcionalidad ilimitada, orientado a aplicaciones, conectividad amplia.

Hardware es la clave. Software es la clave

Alto costo / función Bajo costo / función, variedad de funciones, reusable.

Arquitectura "cerrada" Arquitectura "abierta". Lenta incorporación de nuevas tecnología.

Rápida incorporación de nuevas tecnologías, gracias a la plataforma PC.

Bajas economías de escala, alto costo de mantenimiento.

Altas economías de escala, bajos costos de mantenimiento.

Tabla 1 Diferencias entre instrumentación tradicional y virtual.

Desarrollo del trabajo.

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2 Desarrollo del trabajo En este apartado se irá explicando de forma clara y concisa los conocimientos

prácticos útiles necesarios y los pasos seguidos para conseguir diseñar e utilizar nuestro analizador lógico virtual mediante el software y hardware definidos.

La exposición clara y gráfica del software de programación para el interfaz gráfico “Myopenlab” y su entorno práctico para la realización del instrumento virtual se irá desarrollando en este apartado. Presentar los modos de trabajo disponibles, sus opciones de diseño, las librerías de bloques disponibles etc.

Del mismo modo, se hará hincapié en presentar al lector el hardware empleado de la tecnología “Arduino” en este caso una tarjeta de adquisición de datos modelo “Duemilanove”. Se expondrá y detallará los bloques de los que está compuesta la tarjeta, sus características generales y específicas para este modelo y su funcionamiento dentro del desarrollo del instrumento virtual. Se incluirá el modo de conexión de la tarjeta Arduino con el ordenador personal, las protecciones necesarias para la correcta utilización de este hardware.

Se presentará el diseño previsto para la implementación de nuestro interfaz gráfico y los pasos seguidos para la implementación del analizador virtual mediante MyopenLab, con los elementos usados, sus conexiones, tipos de datos, observaciones y comprobaciones.

Se trata de que la persona que utilice esta documentación sea capaz de elaborar su propio proyecto sin necesidad de recurrir a fuentes externas.

Por último, se realizarán diferentes ejemplos prácticos que demuestren su funcionalidad y correcto manejo, exponiendo los resultados obtenidos mediante la utilización del instrumento virtual proyectado.

Fig. 15 Ejemplo de un interfaz gráfico de usuario.


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2.1 USO DIDÁCTICO

Comentamos anteriormente que la instrumentación virtual puede ser aplicada tanto en el campo de la ingeniería como en la investigación o la docencia. Es en este último caso donde se hará más hincapié ya que una de las finalidades de este proyecto es el enfoque didáctico en el estudio de la electrónica digital.

Sabiendo que la instrumentación virtual permite una mayor interacción con el producto adquirido, debido a su versatilidad y funcionalidad, esto permite una mayor compresión de su funcionamiento y su visualización. Esto hace más fácil entender su uso y por tanto, las posibles aplicaciones para el estudio de diferentes materias.

En el ámbito de la educación, existe un coste alto en equipos de investigación y su mantenimiento, a la vez que el rápido avance de la tecnología hace casi imposible una verdadera puesta día en los últimos instrumentos lanzados al mercado. Dicho coste se reducirá considerablemente con la instrumentación virtual ya que puede incorporarse en los ordenadores personales. La virtualización hace posible que se pueda compartir el trabajo realizado a través de la red, haciendo más fluida y amplía la transmisión de conocimiento.

Por otro lado, el aprendizaje teórico se ve mejorado por la flexibilidad de la instrumentación debido a la capacidad de simulación de procesos reales que hará aumentar la compresión de los conceptos teóricos adquiridos. Además, la sencillez y rapidez a la hora de llevar la teoría a la práctica en un laboratorio aumenta, pudiendo experimentar con el software del instrumento virtual a la vez que se afianzan conocimientos durante la experimentación e investigación.

Esta facilidad de aprendizaje que incorporan los instrumentos virtuales es gracias a su visión y orden dentro de la interfaz que se comunica con el usuario donde de una forma rápida da cabida a diferentes módulos y utilidades, una amplia librería de bloques de componentes y operadores de diferentes categorías (mecánica, electricidad, electrónica, computación…), herramientas versátiles y variadas, y la capacidad de representación y simulación virtual de elementos complejos y su capacidad de interactuar con ellos.

Si a todo esto añadimos la posibilidad de adquirir un software libre de “código abierto” que nos permita diseñar nuestra propia herramienta de trabajo, el abanico de posibilidades en relación al estudio, aprendizaje, experimentación e investigación se abre ampliamente. En este caso, el tanto el software como el hardware que se utiliza en la realización de este proyecto es de “código abierto”, que se estudiará en los apartados siguientes.

Para hacernos una idea de lo que supone un instrumento virtual, en este caso concreto, el software de programación del interfaz gráfico de usuario permite adentrarse en la instrumentación y el diseño virtual con diferentes y variados ejemplos


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virtuales que permiten hacerse una idea de diseñados se componen y como fueron diseñados. Una vez nos hemos relacionado con el programa de diseño virtual, será más fácil crear nuestros propios instrumentos virtuales teniendo en cuenta su funcionamiento real, las características básicas necesarias y las limitaciones con las que se cuenta.

En el caso concreto de un analizador lógico virtual, esta herramienta será implementada con software libre y conectado mediante hardware libre también. Por lo que la posibilidad de mejora para un mayor entendimiento de los procesos digitales es una realidad.

El analizador lógico virtual nos permitirá aplicar sus funciones de análisis y captación de datos numéricos y gráficos en circuitos y sistemas lógicos digitales que serán parte de la teoría impartida en la docencia. Algún caso concreto contará con su comprobación práctica y sus resultados en el desarrollo de este proyecto.

Se trata de conseguir un instrumento que nos capacite poder ser manejado de forma sencilla y funcional con la intención de obtener señales lógicas de circuitos digitales para comprender su funcionamiento, su interacción en un sistema digital más complejo, sus aplicaciones y su posible mejora.

2.2 SOFTWARE UTILIZADO

Para la elaboración de este proyecto se ha utilizado el software libre de “código abierto” MyOpenLab, versión 3.0.3.2. Se trata de una plataforma de simulación de sistemas y circuitos. El entorno ha sido desarrollado con el lenguaje de programación de alto nivel Java (R) que permite la creación, modificación y utilización de diferentes librerías de componentes para la simulación de múltiples aplicaciones sobre una interface desarrollada para la conexión y la edición entre sus componentes.

2.2.1 Características

Según la Guía de Usuario de MyOpenLab escrita en castellano por el profesor José Manuel Ruíz Gutiérrez, las características principales de este entorno son:

Facilidad de uso Amplia biblioteca de funciones tanto para manejo de señales analógicas como digitales. Tratamiento de los tipos de datos y operaciones con estos. Realización de las aplicaciones mediante el uso de bloques de función.

Facilidad para crear pantallas de visualización que recojan el estado de las variables y eventos de las simulaciones.


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Posibilidad de ampliación de su librería de componentes. Posibilidad de creación de sub-modelos que se pueden encapsular a su vez en

otros sub-modelos.

2.2.2 Aplicaciones

Dado su carácter abierto (open source), las aplicaciones se van ampliando constantemente ya que la plataforma no deja de crecer y evolucionar en todo momento.

En este caso, lo más interesante para este proyecto es la creación de circuitos y sistemas tanto analógicos como digitales. Pero existen más posibles aplicaciones:

Simulación, control y programación dentro del campo de la robótica. Experimentos en el ámbito físico. Procesamiento de imágenes. Programación mediante diagramas de flujo. Redes neuronales. Mediciones y actuaciones en la regulación, etc.

2.2.2 Entorno de trabajo

El diseño de las posibles aplicaciones se realiza en dos campos de trabajo diferenciados.

Por un lado, el Panel Circuito (Fig.16) que se encarga de la elaboración de los diagramas de flujo de programación, el diseño y la interconexión de los componentes creando un circuito bastante visual de cómo están relacionados los elementos que intervienen en la aplicación.

Por otro lado, el Panel Frontal (Fig.17), se trata de un panel de visualización que representa mediante imágenes interactivas los elementos y componentes que intervienen en dicha aplicación. Es decir, se trata de visualizar la aplicación e poder interactuar con ella teniendo un control de los diferentes estímulos de entrada y de salida.


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Fig. 16 Panel Circuito.

Fig. 17 Panel Frontal.


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En la parte principal de MyOpenLab se encuentran cuatro áreas diferencias que serán usadas continuamente:

El área de Proyectos (Fig.18), donde se esquematiza los diferentes proyectos con sus sub-proyectos y carpetas. Con ello se facilita la búsqueda y acceso a las aplicaciones realizadas, los componentes y sub-componentes.

Fig. 18 Proyectos.

El área de Componentes, donde se ubican los elementos y componentes de las diferentes librerías incluidas con el software. Dependiendo del panel que se esté usando en cada momento, se podrán visualizar diferentes componentes para el Panel Circuito o Panel Frontal.

Para el Panel Circuito, las librerías incluidas son, en este orden (Fig.19):

Fig. 19 Librería Panel Circuito.


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Elementos de decoración. Operadores digitales. Operadores numéricos. Tratamiento de caracteres. Elementos analógicos. Utilidades. Ficheros de entrada/salida. Comparaciones. Tratamiento de imágenes. Tratamiento de sonidos. Color. Pines de entrada/salida. Vectores y matrices. Agrupación de elementos. Objetos gráficos “canvas”. Librería de física. Librería de diagrama de flujo. Librería de extras. Librería de conexiones entre aplicaciones. Librería definida por el usuario. Librería de automatización. Interfaces.

Para el Panel Frontal, las librerías que se establecen (Fig.20), en siguiente orden, son:

Fig. 20 Librería Panel Frontal.

Elementos de decoración. Elementos de visualización numérica. Elementos de activación digital. Elementos de entrada y salida de cadenas de caracteres. Vectores y matrices de datos. Elementos de visualización gráfica.


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Elementos extras. Elementos de automatización. Elementos de librería de usuario. Robot 2D.

Una vez, seleccionado uno de los componentes de las librerías, podremos observar sus características básicas en el área de Editor de Propiedades del Componente (Fig.21). Aquí se podrá editar desde su nombre, su tamaño, sus parámetros etc.

Fig. 21 Editor de Propiedades.

Para concretar más sobre cada componente, en la barra de menú, en la sección Ventana, se podrá visualizar la Documentación del Componente con su descripción de su funcionamiento, y también la Ventana del Componente, donde se observa su imagen con sus conexiones de entrada/salida y el tipo de dato que acepta.

Accediendo con el botón derecho del ratón del menú contextual sobre el componente seleccionado (Fig.22), se podrá visualizar diferente información de dicho componente como Información, Documentación, Propiedades o su Código.

Fig. 22 Menú contextual de elemento concreto.


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Por último, la barra de Botones (Fig.23) está comprendida de diferentes funciones más usadas durante el proceso de diseño de la aplicación:

Fig. 23 Barra de botones.

Crear, Abrir, Guardar proyecto. Deshacer, Restablecer, Actualizar. Opciones, Variables, Tipos de datos. Controles de simulación. Ventanas gráficas, Tabla de datos, Consola de salida, Ventana de

información. Ajuste de tiempo de simulación.

2.2.4 Otras herramientas útiles

A la hora de interconectar los diferentes componentes es necesario tener en cuenta que tipo de dato (Fig.24) acepta cada componente, tanto a la salida como a la entrada. Como se comentó anteriormente en el apartado de Ventana en la barra Menú se podrá obtener información sobre el tipo de dato en Leyenda Colores Tipo de Datos, tal como se muestra en la siguiente imagen:

Fig. 24 Tipo de dados.


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El programa MyOpenLab ofrece otras herramientas y opciones no menos importantes que serán de ayuda a la hora de realizar nuestra aplicación:

Creación de sub-modelos para incluirlos en aplicaciones más complejas facilitando la visualización y el orden de nuestros componentes mediante diferentes métodos.

Creación, edición y compilación de nuevos elementos para añadirlos en las librerías; protección de los proyectos.

Seguimiento de las simulaciones mediante puntos de test que nos permitirá observar lo ocurrido en esos puntos durante la ejecución de la aplicación.

Creación de variables para aplicarlas en diagramas de flujo (Fig.25) que servirán de programación de la aplicación.

Información de posibles errores, menú ayuda, etc.

Fig. 25 Diagrama de flujo con variables.

Para ampliar información y detalle sobre el manejo de este software, se incluye una serie de documentos en el apartado dedicado a la bibliografía. También se puede acceder a la página web oficial de MyOpenLab, incluida en el mismo apartado.


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2.3 HARDWARE UTILIZADO

El entorno de “Myopenlab” permite conectarse, mediante puerto serie o puerto USB, diferentes tecnologías de micro-controladores que permitan comunicar proyectos realizados. Una de estas tecnologías es “Arduino”, una plataforma en “código abierto” útiles por el manejo sencillo de su hardware y software libres.

Para este proyecto se utiliza el hardware “Arduino modelo Duemilanove” (Fig.26). Este modelo incluye mejoras sobre los modelos anteriores, tales como la selección automática de la fuente de alimentación. Ver Anexo A, B y C.

Fig. 26 Arduino Duemilanove.

2.3.1 Elementos importantes

Esta tarjeta está compuesta por los siguientes elementos más importantes:

1. Conector de alimentación. 2. Conector para USB. 3. LED de transmisión y recepción de datos. 4. Pines para entradas/salidas digitales. 5. LED de alimentación. 6. Interruptor de reseteo. 7. Cabezal para conexión y alimentación de otros elementos. 8. Micro-controlador. 9. Pines de entradas analógicas. 10. Pines de alimentación.


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2.3.2 Especificaciones del modelo

Microcontrolador ATmega368 (ATmega168 en versiones anteriores) Ver Anexo C

Voltaje de

funcionamiento 5V

Voltaje de entrada

(recomendado) 7-12V

Voltaje de entrada

(limite) 6-20V

Pines E/S digitales 14 (6 proporcionan salida PWM)

Pines de entrada

analógica 6

Intensidad por pin 40 mA

Intensidad en pin 3.3V 50 mA

Memoria Flash 16 KB (ATmega168) o 32 KB (ATmega328) de las cuales 2 KB las

usa el gestor de arranque(bootloader)

SRAM 1 KB (ATmega168) o 2 KB (ATmega328)

EEPROM 512 bytes (ATmega168) o 1 KB (ATmega328)

Velocidad de reloj 16 MHz

El “Arduino Duemilanove” puede ser alimentado vía la conexión USB o con una fuente de alimentación externa. El origen de la alimentación se selecciona automáticamente.

Las fuentes de alimentación externas (no-USB) pueden ser tanto un transformador o una batería. El transformador se puede conectar usando un conector macho de 2.1mm con centro positivo en el conector hembra de la placa. Los cables de la batería pueden conectarse a los pines Gnd y Vin en los conectores de alimentación (POWER)

La placa puede trabajar con una alimentación externa de entre 6 a 20 voltios. Si el voltaje suministrado es inferior a 7V el pin de 5V puede proporcionar menos de 5 Voltios y la placa puede volverse inestable, si se usan más de 12V los reguladores de voltaje se pueden sobrecalentar y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12 voltios.


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Los pines de alimentación son los siguientes:

VIN. La entrada de voltaje a la placa Arduino cuando se está usando una fuente externa de alimentación (en opuesto a los 5 voltios de la conexión USB). Se puede proporcionar voltaje a través de este pin, o, si se está alimentado a través de la conexión de 2.1mm, acceder a ella a través de este pin.

5V. La fuente de voltaje estabilizado usado para alimentar el micro controlador y otros componentes de la placa. Esta puede provenir de VIN a través de un regulador integrado en la placa, o proporcionada directamente por el USB u otra fuente estabilizada de 5V.

3V3. Una fuente de voltaje a 3.3 voltios generada en el chip FTDI integrado en la placa. La corriente máxima soportada 50mA.

GND. Pines de toma de tierra.

Cada uno de los 14 pines digitales en el Duemilanove pueden utilizarse como entradas o como. Las E/S operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir una intensidad máxima de 40mA y tiene una resistencia interna, PULL-UP (desconectada por defecto) de 20-50kOhms. Además, algunos pines tienen funciones especializadas:

Serie: 0 (RX) y 1 (TX). Usado para recibir (RX) transmitir (TX) datos a través de puerto serie TTL. Estos pines están conectados a los pines correspondientes del chip FTDI USB-to-TTL.

Interrupciones Externas: 2 y 3. Estos pines se pueden configurar para lanzar una interrupción en un valor LOW (0V), en flancos de subida o bajada (cambio de LOW a HIGH (5V) o viceversa), o en cambios de valor.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proporciona una salida PWM (Pulse Wave Modulation, modulación de onda por pulsos) de 8 bits de resolución (valores de 0 a 255.

SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines proporcionan comunicación SPI, que a pesar de que el hardware la proporcione actualmente no está incluido en el lenguaje Arduino.

LED: 13. Hay un LED integrado en la placa conectado al pin digital 13, cuando este pin tiene un valor HIGH(5V) el LED se enciende y cuando este tiene un valor LOW(0V) este se apaga.

El Duemilanove tiene 6 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución de 10bits (1024 valores). Por defecto se mide de tierra a 5 voltios, aunque es posible cambiar la cota superior de este rango usando el pin AREF. Además algunos pines tienen funciones especializadas:

I2C: 4 (SDA) y 5 (SCL). Soporte del protocolo de comunicaciones I2C (TWI)

Hay unos otros pines en la placa:

AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Reset. Suministrar un valor LOW (0V) para reiniciar el microcontrolador.


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EL Arduino Duemilanove facilita en varios aspectos la comunicación con el ordenador, otro Arduino u otros microcontroladores. Proporciona comunicación vía serie UART TTL (5V), disponible a través de los pines digitales 0(RX) y 1(TX). Un chip FTDI FT232RL integrado en la placa canaliza esta comunicación serie a través del USB.

El Arduio Duemilanove tiene un multifusible reinicializable que protege la conexión USB de tu ordenador de cortocircuitos y sobretensiones. A aparte que la mayoría de ordenadores proporcionan su propia protección interna, el fusible proporciona una capa extra de protección. Si más de 500mA son detectados en el puerto USB, el fusible automáticamente corta la conexión hasta que el cortocircuito o la sobretensión desaparecen.

Para más información ver Anexo A.

2.3.3 Software de “Arduino”

A la hora de adquirir una tarjeta Arduino, se pude descargar desde la página web oficial de Arduino de forma gratuita el software con el que trabaja esta tecnología. Se trata de un entorno con lenguaje de programación de alto nivel Processing/Wiring, aunque también se pueden utilizar multiples lenguajes de programación con Java, C, C++, C# o Flash. Su lenguaje es muy similar al lenguaje C y C++, conocidos y muy utilizados, por lo que la programación resultará más familiar.

Para este caso particular, no necesitaremos programar con el lenguaje de Arduino, aunque más adelante, en el desarrollo y diseño de la aplicación se observará dicho programa de lenguaje.


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2.4 DISEÑO DE LA INTERFAZ GRÁFICA

En este sub-apartado se expondrá el diseño viable que se pretende para la implementación virtual posterior del analizador lógico.

Se puede partir de un diseño ideal o boceto en el que incluir todo lo observado y estudiando que puede llegar a contener un analizador lógico en toda su complejidad pero al trabajar con unas herramientas específicas contaremos con limitaciones claras e inamovibles.

Conseguir, a partir de una idea o diseño inicial, nuestro analizador lógico virtual con las herramientas que hemos escogido será el objetivo principal. Teniendo en cuenta la evolución y transformación que puede producirse a partir de esa idea primera.

2.4.1 Factores implicados

Para el diseño del analizador lógico virtual hay que tener en cuenta diferentes factores que nos van a delimitar nuestro trabajo a la hora de darle forma al diseño:

a) La estructura fundamental del analizador lógico y su manejo y funciones posibles que se puedan añadir en el interfaz.

b) La tarjeta de adquisición de datos Arduino tiene unas limitaciones físicas propias como el número de entradas y salidas.

c) El software de programación gráfica contará con elementos y bloques gráficos predispuestos para el uso por lo que será necesario ver con que bloques se cuenta para la implementación.

d) Se trata de dar al analizador lógico un uso didáctico por lo que será necesario una buena estructuración y simplificación del interfaz para su correcto entendimiento.


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2.4.2 Partes fundamentales

El interfaz que se pretende desarrollar constará de cuatro partes diferenciadas:

En primer lugar, es necesaria un área de inicio en el cual se pueda seleccionar el número del puerto de conexión USB que usaremos para conectar la tarjeta de adquisición de datos de “Arduino” con nuestra interfaz en el ordenador personal. Para ello habrá que cerciorarse previamente de cuál es el puerto indicado para la tarjeta. Además, como también está disponible en nuestro componente “Arduino” de “MyOpenLab”, una entrada que sirva como arranque del interfaz, utilizaremos esta área para colocar aquí el botón “Start”. Con todo ello ya sería suficiente para poder usar nuestra herramienta virtual sin tener ningún problema, fuera de los que pueda tener el diseño, por supuesto.

Fig. 27 Bloque de inicio.

Por otro lado, se desarrollarán los elementos que intervienen propiamente dicho en el analizador lógico virtual, esto es: El área para entradas, tanto analógicas como digitales, y por otro las salidas digitales.

Para las entradas, analógicas y digitales, se necesita la visualización gráfica de las señales procedentes de sus pines para poder comprender cada señal y todas a la vez. Por ello, se diseñará un bloque que contenga una gráfica de tiempos para cada señal. Para las señales de entrada digital se han escogido los seis pines que vienen configurados en la tarjeta “Arduino”, y para las entradas analógicas se elaborarán solamente dos de las seis entradas. Esto es simplemente por el hecho de que nuestro objetivo es el estudio de las señales lógicas (Fig.28), sin embargo será útil contar con la visualización de alguna señal analógica como puede ser la señal de alimentación del circuito que se quiera testear.

Para el correcto estudio de la señal gráfica contaremos con funciones específicas para las gráficas como es la opción de visualizarlas o no, poder parar el tiempo para un mejor análisis o refrescar cada señal empezando el tiempo de nuevo sobre el eje X.


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Fig. 28 Área de Entradas Digitales.

Todo lo anterior, es común para ambos tipos de entradas, analógicas y digitales, sin embargo en el área de entradas analógicas (Fig.29) será más útil contar con un visor numérico que nos permita comprobar con mayor exactitud cuál su posición en el tiempo.

Fig. 29 Área de Entradas Analógicas.

Por último, el área de salidas digitales nos permitirá controlar de forma virtual los posibles circuitos lógicos que se analicen (Ver Fig.30). Su visualización gráfica no es de suma importancia ya que contamos con las gráficas para señales de entrada digital, pero si es interesante el ello de poder gobernar señales de salida de circuitos lógicos a partir del control virtual de sus entradas. Es decir, con la visualización de las señales digitales podremos decidir cómo gobernar e intervenir en el circuito lógico para poder controlarlo de forma que no sea necesaria el uso de elementos físicos para tal acción.

Fig. 30 Área de Salidas Digitales.


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2.4.3 Desarrollo del diseño

El diseño ha contado con una evolución constante desde un primer momento. Desde la instalación de las herramientas software y hardware, la familiarización de estas, los diferentes cambios producidos debidos a problemas básicos de diseño, o la estructuración final del interfaz del analizador lógico virtual.

En primer lugar, se procede a buscar las herramientas comentadas en apartados anteriores, “MyOpenLab” y “Arduino”. Al ser productos open-source, podremos descargar desde sus respectivas páginas web oficiales todo tipo de software y manuales de información. Para ambos software no es necesaria la instalación en un ordenador. Solamente será recomendable instalar la versión “Java” necesaria para una correcta visualización de ambos programas.

Una vez descargados ambos programas y comprobado que ambos programas se inician correctamente, se procede a estudiar la estructura del modelo propio de la tarjeta “Arduino”. Para ello, se conectará la tarjeta a un puerto USB del ordenador y se abrirá el software de “Arduino”, valido para todos los modelos, sin embargo lo que queremos observar es como están estructurados los pines de entradas y salidas de “Arduino”.

En primer lugar es recomendable que el programa conozca el modelo que se ha conectado, para ello dentro del programa de “Arduino” en la barra de menú en el apartado “Tools” o ”Herramientas” se desplegará una lista donde se podrá leer “Board” o “Tarjeta” allí seleccionamos el modelo propio de nuestra tarjeta de adquisición de datos: “Arduino Duemilanove ATmega328”.

Una vez hecho esto, desde el mismo programa deberemos abrir el archivo contenido en la carpeta “Arduino” de la carpeta donde se ubica el programa “MyOpenLab” de nombre, “Arduino”. Esto nos permite saber cuál es la posición y nomenclatura de los pines repartidos para entradas y salidas digitales (Ver Fig. 31).

Fig. 31 Lenguaje Arduino.


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Una vez comprobado el lugar asignado para las entradas y salidas digitales, es recomendable comprobar el funcionamiento correcto del programa de simulación gráfica relacionándose con la tarjeta de datos. Abriendo el programa “MyOpenLab” y a la vez, en la barra de menú en “Fichero” y “Abrir Proyecto” se buscará un modelo virtual llamado “myopenlab_prj_arduino1.1”.

A través de él nos familiarizamos con su funcionamiento, su lógica y sus capacidades. Es importante también el aprendizaje con otros ejemplos prácticos de “MyOpenLab” y de “MyOpenLab+Arduino” (Fig. 32).

Fig. 32 Ejemplo práctico.

Con el entendimiento claro del funcionamiento de ambas herramientas, se podrá diseñar el analizador lógico virtual previsto. Se empieza por crear un proyecto propio nuevo donde poder elaborar el diseño, con nombre y ubicación propia. Para ello se necesitarán diferentes elementos o componentes gráficos con los que elaborar nuestro interfaz virtual en el Panel Frontal de “MyOpenLab”.

Elementos como gráficos, botones, interruptores, paneles numéricos, elementos de señalización etc. (Fig. 33) se irán colocando en el panel de forma clara y ordenada dando forma a lo que queremos que sea nuestra pantalla del analizador.

Fig. 33 Elementos Gráficos.

Una vez estructurada la visión del interfaz se realizan las conexiones necesarias entre estos elementos interactivos y variables con la tarjeta “Arduino”.


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En el Panel Circuito del proyecto creado en “MyOpenLab” se cuenta con un componente (Fig.34) ya diseñado específico para “Arduino” y válido para el modelo “Duemilanove” ya que cuenta con los mismos pines.

Fig. 34 Componente Arduino.

A la hora de conexionar los diferentes elementos del Panel Frontal con el componente Arduino, surgen diferentes problemas propios del lenguaje y la programación.

En primer lugar, al marcarse como objetivo realizar el proyecto del diseño usando las herramientas definidas y sin llegar a utilizar el lenguaje de programación en ningún momento, se producen pequeños problemas derivados del hecho de que en el programa “MyOpenLab” existen diferentes librerías con múltiples componentes básicos y un tipo de dato admisible ya marcados y con los que es necesario ayudarse.

Sin embargo, “MyOpenLab” permite crear nuevos elementos para añadir a la librería de dos formas diferentes, uniendo elementos ya diseñados en uno solo o a través de lenguaje de programación. El primero solo es interesante para diseños muy extensos con la intención de ahorra espacio y mejorar la claridad del circuito, y la segunda opción es posible pero conocimientos previos de programación, aunque sean básicos. Por suerte no ha sido necesario utilizar ninguna de las dos opciones.

En segundo lugar surge un problema relacionado con el tipo de lógica con la que trabaja la tarjeta de adquisición de datos. En este caso usa lógica inversa o negativa, por lo que complica el diseño a la hora de visualizar nuestras señales en el Panel Frontal.

Es decir, cuando se quiere un estado lógico positivo o flanco ascendente en la gráfica de señales tendremos que producir un flanco descendente en el circuito físico analizado ya que “Arduino” fue programada con lógica inversa. Este problema fue solucionado aunque es una solución parcial, teniendo que programar hacia lógica positiva la tarjeta.


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Después, existe un problema o complicación con el tipo de dato que admite cada componente virtual en el Panel Circuito con lo que es necesario buscar otros elementos encargados de convertir tipos de datos. Al menos para este caso, hubo solución satisfactoria.

Por último, ya intentando comprobar el diseño, nos encontramos con la nula intervención de los elementos de visualización gráfica. Como se parte de no usar el lenguaje de programación para crear nuevos elementos que solucionen los problemas, solamente se cuenta con un tipo de gráfico aceptable para el tipo de dato de señales digitales, no sin antes convertir el tipo de dato para poder ser admitido por el elemento gráfico.

Para la resolución de todos estos problemas iniciales y el correcto funcionamiento del diseño del interfaz se recurrió a la elaboración de un circuito de conexión concreto (Fig. 35).

Fig. 35 Panel Circuito del Analizador Lógico.

En primer lugar, el conexionado de elementos para la selección del puerto, el inicio del interfaz o los interruptores para producir salidas digitales en la tarjeta “Arduino”, del Panel Frontal con el componente “Arduino”, no supuso ningún impedimento ya que se trata del mismo tipo de dato booleano.

En cuanto al problema de la lógica inversa por parte del componente “Arduino” fue solucionada mediante la inversión de la señal con un elemento negador. No obstante, esto se trata de una solución parcial que el caso de este diseño no afecta pero que afecta realmente con elementos de señalización ya que en estado normal con los pines invertidos la señalización estará activada hasta que se intervenga.


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Para la correcta conexión entre elementos de diferentes tipos de dato se recurrió a componentes convertidores ya introducidos en las librerías pero que aun así tuvo que utilizarse elementos con tipo de datos que pueden ser convertidos posteriormente con lo que el diseño se cierra en ese aspecto.

Por último, aunque fue uno de los problemas que antes surgieron, es el hecho de usar gráficos compatibles con nuestro propósito y el tipo de dato que muestra la tarjeta “Arduino” en cada caso.

Ya que nuestro objetivo es visualizar señales respecto al tiempo, y como solo contamos con los elementos propios de las librerías, solo un gráfico era compatible para este propósito, probándose todos los demás anteriormente. Aunque los gráficos existentes tienen limitados y fijados sus funcionalidades, con el elegido se cubren las expectativas gráficas deseadas (arranque, para y refresco de cada señal). Sin embargo este tipo de gráfico usa un tipo de dato determinado por lo que fue necesaria su conversión.

Por un lado, la conversión de la señal analógica a la gráfica fue directa mediante un solo convertidor. Por otro lado, la conversión de señal digital tuvo que ser convertida previamente a tipo de dato analógico para volver a convertirlo en dato aceptable para la gráfica.

En cuanto a elementos de interacción directa con las gráficas su simple ya que su tipo de dato es el mismo.

2.4.4 Funcionamiento virtual

Sirva este espacio para explicar el funcionamiento de la herramienta virtual como analizador lógico, a modo de guía para usuario.

En primer lugar y antes de nada, se procederá a iniciar el programa “MyOpenLab” y a conectar la tarjeta de adquisición de datos con el ordenador correspondiente.

Ya que es necesario comunicar software y hardware, se tendrá que encontrar el número de puerto USB usado por la tarjeta. Para el sistema operativo “Windows”, en “Propiedades del Sistema” y luego en “Administrador de dispositivos” encontraremos el correspondiente puerto serie perteneciente a nuestra tarjeta, memorizando su posición numérica.


49

Seguidamente se abrirá el proyecto (Fig. 36) que contenga el analizador lógico virtual. Para ello, en la barra de menú, “Fichero”, “Abrir Proyecto”, seleccionar “Main.vlogic”.

Fig. 36 Abrir Proyecto.

Una vez abierto el proyecto será recomendable ciertas comprobaciones previas, como es la correcta conexión de los elementos del Panel Circuito con el Panel Frontal. También es preferible abrir previamente la ventana de errores (Barra de menú - Ventana - Mostrar Errores y Advertencias) y si está usada anteriormente borrar con el botón derecho (Limpiar).

Fig. 37 Ventana de Errores y Advertencias.


50

Cuando todo esté listo, pulsar botón Arranque VM de nuestra barra de botones horizontal superior (Fig. 38).

Fig. 38 Barra de Botones.

Si todo está correcto aparecerá la interfaz gráfica y no aparecerá ninguna ventana de advertencias o errores. En ese caso, se selecciona la posición numérica del puerto correspondiente y se inicia el analizador pulsando el botón “Start” (Fig. 39).

Para ambas gráficas (Fig. 39), señal analógica y señal digital, el tiempo comenzará a contar en el momento en el que se active alguna de esas gráficas presionando sobre el botón interruptor “On/Off”. Se podrá parar la gráfica invirtiendo el proceso para poder parar la señal. En el caso de ser necesario poner el tiempo a cero existe el botón “Reset”. En el caso concreto de las gráficas de señal analógica (Fig. 39), en el momento de iniciar el proceso con arranque, se pondrá a contar la cantidad de datos que adquiere automáticamente sin necesidad de activar esa gráfica concreta.

Por último, en casos concretos de montajes de circuitos lógicos donde sea necesario el gobierno de unas determinadas entradas para producir salidas que puedan ser visualizadas en las gráficas, se cuenta con una serie de interruptores lógicos (Fig. 39) que mediante su combinación permite modificar una salida determinada del circuito analizando, pudiendo observarse sus cambios en las gráficas de las entradas de nuestro analizador lógico virtual.

Fig. 39 Interfaz virtual.


51

2.4.5 Demostraciones prácticas:

En un primer lugar, para comprobar el funcionamiento correcto de las entradas digitales usaremos un integrado de puertas lógicas AND (modelo 74ls08), de tal forma que manipulando sus dos entradas podremos modificar su salida y por tanto su visualización gráfica.

En primer lugar hay que alimentar el circuito integrado de las puertas lógicas situado en una placa protoboard. Existen dos modos, mediante una fuente externa o directamente a través de la tarjeta “Arduino” conectada a su vez al ordenador. Puede conectarse a 3,3 o 5V, este caso 5V (considerar características eléctricas) serán cableados a la patilla 14 del integrado y a su vez en este caso la tierra que ofrece también “Arduino” a la patilla 7 (Fig. 40).

Fig. 40 Integrado puertas AND.

Una vez conectado, se cablean las entradas y salidas del integrado. Por un lado las dos entradas del integrado (por ejemplo pin 13 y 12) irán conectadas a dos de los pines asignados para las salidas digitales que interactuaran mediante los interruptores. Por otro lado, la salida de la puerta AND (en este caso, pin 11) irá conectada a una de las entradas asignadas digitales para su visualización.

Una vez conectado se activará la gráfica correspondiente a la señal digital asignada al pin de la salida de la puerta lógica. Y con los interruptores de las salidas digitales apagados, el resultado gráfico será una línea recta de valor 0. Si y solo si activamos ambos interruptores de las salidas digitales correspondientes a las entradas de la puerta AND, podremos ver un pulso o flanco ascendente de valor 1 (Fig. 41).

Fig. 41 Tabla de Función lógica AND.


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En segundo lugar para comprobar la visualización analógica, usaremos un montaje de un divisor de tensión de dos resistencias, una de ellas una LDR (variable con la luz).

Para ello observamos los siguientes circuitos:

Fig. 42 Montaje LDR.

Obsérvese el simple cambio de posición de la LDR ya que afectará a su visualización gráfica. Es decir, en el primer caso, si la luz incide sobre ella, la diferencia de potencial aumentará en la salida y en el otro caso, si la luz incide sobre ella la diferencia de potencial en la salida será menor ya que la mayoría de la corriente circulará a tierra a través de la LDR.

Para el montaje del primer caso con la tarjeta “Arduino”, conectaremos el pin de 5V de la tarjeta a la patilla de la LDR que marca la tensión de entrada y la tierra GND a la patilla de la segunda resistencia que marca 0V. Por otro lado, entre una y otra resistencia conectaremos a una de las gráficas de las entradas analógicas para visualizar la variación de datos que permite según la cantidad de luz.

Una vez conectado, iniciamos el interfaz y el marcador numérico de datos comenzará oscilar, en este caso sobre los 600 bytes. Si interrumpimos el paso de luz, la cantidad de datos disminuirá hasta los 200bytes aproximadamente. La cantidad de datos no es fija ya que la luz va variando constantemente.

En el montaje contrario ocurrirá lo opuesto, evidentemente. Simplemente cambiando de posición las conexiones entre alimentación y tierra, conseguiremos invertir la cantidad de datos que se muestre en el gráfico en función de la cantidad de luz.

Conclusiones.

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CONCLUSIONES Como conclusión principal exponer que los objetivos generales han sido

conseguidos con éxito.

Por un lado se obtuvo gran conocimiento sobre la instrumentación virtual y software de programación gráfica utilizados. También, se obtuvo un diseño esperado según lo previsto.

Se pudo obtener mucha información útil para el aprendizaje en la instrumentación virtual a través de informes teóricos, manuales técnicos, presentaciones docentes, etc. Del mismo modo, sobre el analizador lógico se obtuvo diferentes manuales, proyectos de implementación, material docente, etc. Sin embargo hay poca documentación sobre implementación virtual de analizadores lógicos por lo que el trabajo de laboratorio fue mayor del esperado, a base de prueba y error se fue moldeando lo que se pretendía desde un principio.

El uso de herramientas de software permitió la familiarización que este tipo de programación gráfica estructurada, muy útil para todo tipo de diseños.

A través del uso práctico de las herramientas hardware como es “Arduino” y a través del uso del analizador virtual se afianzó el entendimiento sobre tarjetas de adquisición y acondicionamiento de datos.

En cuanto a la implementación se produjo algunos problemas debido a las limitaciones inamovibles que presentaron las herramientas usadas, pero se obtuvo un resultado satisfactorio tal como muestra los resultados de las comprobaciones prácticas.

Su posible aplicación estará destinada al uso docente en laboratorios de enseñanza superior para conseguir una mayor comprensión de la teoría de circuitos lógicos. A su vez, fomentar el manejo de herramientas open-source como son programación estructurada de “MyOpenLab” y la tarjeta de adquisición de datos de “Arduino”.

Como conclusión final, cabe decir que el resultado general y personal es satisfactorio al haber conseguido elaborar y producir una idea inicial y a su vez poder avanzar y afianzar conocimientos que han intervenido en el desarrollo de dicho proyecto.

Bibliografía.

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BIBLIOGRAFÍA Documentación electrónica

C. Baena, J. I. Escudero, Mª P. Parra y M. Valencia. “MANUAL INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DIGITAL Fundamentos de Computadores (I I e ITIS) Estructura y Tecnología de Computadores (ITIG)”. Sevilla, Septiembre de 2008. http://www.dte.us.es/docencia/etsii/ii/ec/doc/laboratorio/9L3Manual

Enríquez Herrador, Rafael. “Guía de Usuario de Arduino”. 13 de noviembre de 2009. I.T.I. Sistemas. Universidad de Córdoba. [email protected]. Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0.

López Mario Alberto, Quintero Zamudio José. “ANALIZADOR DE ESTADOS LÓGICOS BÁSICO AL-UAMI-2004.VI”. México D.F. a Mayo del 2004. http://148.206.53.231/UAMI11078.pdf

Moure, M. J. “Manual de utilización del Analizador lógico de Uvi-51 (versión Windows) (versión 1.0 beta de 21 de Julio de 2008)” http://webs.uvigo.es/mjmoure/DocSDP/ManualUVI_logic.pdf

National Instrumentos Corp. “La Instrumentación Virtual”. Traducción al español: Tracnova S.A., www.tracnova.com

Ruiz Gutiérrez, José Manuel. “MyOpenLab, versión 3.010, Guía de usuario”. http://myopenlab.de

Ruiz Gutiérrez, José Manuel. “MyOpenLAb, Tratamiento de datos, Versión 2.4.8.3, Documentación para el usuario”. http://myopenlab.de

Ruiz Gutiérrez, José Manuel. “MyOpenLAb. DIAGRAMAS DE FLUJO (guía rápida) para la versión 2.4.9.9 o superiores” http://myopenlab.de

Ruiz Gutiérrez, José Manuel. “Instrumentación virtual (aplicaciones educativas)”. Curso de Verano: Simulaciones en la Enseñanza. UCLM. Puertollano (Ciudad Real) 20 y 21 de Julio de 2000.

Ruiz Gutiérrez, José Manuel. “Arduino+MyOpenLab. Una propuesta de utilización de open hardware y software libre GNU para el diseño y simulación de protipos en el laboratorio”. Noviembre 2011.

Bibliografía.

55

Tarot Gálvez, Mario Edgar Luis. “Planteamiento del uso de instrumentación virtual para adquisición de datos”. Universidad de san Carlos de Guatemala. Facultad de ingeniería escuela de ingeniería mecánica eléctrica Guatemala, octubre de 2004. http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0119_EO.pdf

Tektronik (R). “Manual técnico de analizadores lógicos.”

L. DÁVILA, C. GARCÍA, S. LÓPEZ, P. SAN SEGUNDO Y D. RODRÍGUEZ-LOSADA..

“SITED: UN LABORATORIO INTERACTIVO Y PORTABLE DE ELECTRÓNICA DIGITAL” http://oa.upm.es/9651/

Terán Ayala Juan Carlos. “ANALIZADOR LÓGICO DE TIEMPOS IMPLEMENTADO EN UN FPGA UTILIZANDO EL BUS PCI COMO INTERFAZ DE COMUNICACIÓN”. http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/electro/archivo/electro2001/mem2001./articulos/dig5.pdf

Tráinor Goiría, Jaime. “ANALIZADOR LÓGICO DE BAJO COSTE BASADO EN UNA FPGA”. MADRID, Septiembre 2005. http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/4330207f9aa11.pdf

Página Web Oficial de “MyOpenLab”: http://es.myopenlab.de/?Bienvenida

Página Web Oficial “Arduino”: http://arduino.cc/es/

Página Web Oficial Prof. José Manuel Ruiz Gutiérrez: http://josemanuelruizgutierrez.blogspot.com.es/ ; http://mami.uclm.es/jmruiz/

Anexos.

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Anexo A Arduino Duemilanove

Fig. A 1 Arduino Duemilanove

A.1 Visión general

El Arduino Duemilanove ("2009") es una placa con microcontrolador basada en el ATmega168 (datasheet) o el ATmega328 (datasheet)., Tiene 14 pines con entradas/salidas digitales (6 de las cuales pueden ser usadas como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un cristal oscilador a 16Mhz, conexión USB, entrada de alimentación, una cabecera ISCP, y un botón de reset. Contiene todo lo necesario para utilizar el microcontrolador; simplemente conéctalo a tu ordenador a través del cable USB o aliméntalo con un transformador o una batería para empezar a trabajar con él. "Duemilanove" significa 2009 en italiano que fue el año cuando salió al mercado. El Duemilanove es el más popular en dentro de las series de placas con USB: para una comparativa con el resto de placas mira el índice de placas Arduino.

A.2 Resumen

Microcontrolador ATmega368 (ATmega168 en versiones anteriores)

Voltaje de funcionamiento

5V

Anexos.

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Voltaje de entrada (recomendado)

7-12V

Voltaje de entrada (limite)

6-20V

Pines E/S digitales 14 (6 proporcionan salida PWM)

Pines de entrada analógica

6

Intensidad por pin 40 mA

Intensidad en pin 3.3V 50 mA

Memoria Flash 16 KB (ATmega168) o 32 KB (ATmega328) de las cuales 2 KB las usa el gestor de arranque (bootloader)

SRAM 1 KB (ATmega168) o 2 KB (ATmega328)

EEPROM 512 bytes (ATmega168) o 1 KB (ATmega328)

Velocidad de reloj 16 MHz

A.3 Alimentación

El Arduino Duemilanove puede ser alimentado vía la conexión USB o con una fuente de alimentación externa. El origen de la alimentación se selecciona automáticamente. Las fuentes de alimentación externas (no-USB) pueden ser tanto un transformador o una batería. El transformador se puede conectar usando un conector macho de 2.1mm con centro positivo en el conector hembra de la placa. Los cables de la batería pueden conectarse a los pines Gnd y Vin en los conectores de alimentación (POWER)

Anexos.

58

La placa puede trabajar con una alimentación externa de entre 6 a 20 voltios. Si el voltaje suministrado es inferior a 7V el pin de 5V puede proporcionar menos de 5 Voltios y la placa puede volverse inestable, si se usan más de 12V los reguladores de voltaje se pueden sobrecalentar y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12 voltios. Los pines de alimentación son los siguientes:

VIN. La entrada de voltaje a la placa Arduino cando se está usando una fuente externa de alimentación (en opuesto a los 5 voltios de la conexión USB). Se puede proporcionar voltaje a través de este pin, o, si se está alimentado a través de la conexión de 2.1 mm, acceder a ella a través de este pin.

5V. La fuente de voltaje estabilizado usado para alimentar el microcontrolador y otros componentes de la placa. Esta puede provenir de VIN a través de un regulador integrado en la placa, o proporcionada directamente por el USB u otra fuente estabilizada de 5V.

3V3. Una fuente de voltaje a 3.3 voltios generada en el chip FTDI integrado en la placa. La corriente máxima soportada 50mA.

GND. Pines de toma de tierra.

A.4 Memoria

El ATmega328 tiene 32KB (el ATmega168 tiene 16 KB) de memoria flash para almacenar código (2KB son usados para el arranque del sistema (bootloader).El ATmega328 tiene 2 KB (Atmega168 1 KB) de memoria SRAM . El ATmega328 tiene 1KB (ATmega168 512 bytes) de EEPROM, que puede a la cual se puede acceder para leer o escribir con la [Reference/EEPROM |librería EEPROM]].

A.5 Entradas y Salidas

Cada uno de los 14 pines digitales en el Duemilanove pueden utilizarse como entradas o como salidas usando las funciones pinMode(), digitalWrite(), y digitalRead() . Las E/S operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir una intensidad máxima de 40mA y tiene una resistencia interna (desconectada por defecto) de 20-50kOhms. Además, algunos pines tienen funciones especializadas:

Serie: 0 (RX) y 1 (TX). Usado para recibir (RX) transmitir (TX) datos a través de puerto serie TTL. Estos pines están conectados a los pines correspondientes del chip FTDI USB-to-TTL.

Anexos.

59

Interrupciones Externas: 2 y 3. Estos pines se pueden configurar para lanzar una interrupción en un valor LOW (0V), en flancos de subida o bajada (cambio de LOW a HIGH (5V) o viceversa), o en cambios de valor. Ver la función attachInterrupt() para as detalles.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proporciona una salida PWM (Pulse Wave Modulation, modulación de onda por pulsos) de 8 bits de resolución (valores de 0 a 255) a través de la función analogWrite().

SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines proporcionan comunicación SPI, que a pesar de que el hardware la proporcione actualmente no está incluido en el lenguaje Arduino.

LED: 13. Hay un LED integrado en la placa conectado al pin digital 13, cuando este pin tiene un valor HIGH(5V) el LED se enciende y cuando este tiene un valor LOW(0V) este se apaga.

El Duemilanove tiene 6 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución de 10bits (1024 valores). Por defecto se mide de tierra a 5 voltios, aunque es posible cambiar la cota superior de este rango usando el pin AREF y la función analogReference(). Además algunos pines tienen funciones especializadas:

I2C: 4 (SDA) y 5 (SCL). Soporte del protocolo de comunicaciones I2C (TWI) usando la librería Wire.

Hay unos otros pines en la placa:

AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Usado por analogReference().

Reset. Suministrar un valor LOW (0V) para reiniciar el microcontrolador. Típicamente usado para añadir un botón de reset a los shields que no dejan acceso a este botón en la placa.

A.6 Comunicaciones

EL Arduino Duemilanove facilita en varios aspectos la comunicación con el ordenador, otro Arduino u otros microcontroladores. Tanto el ATmega328 como el Atmega168 proporciona comunicación vía serie UART TTL (5V), disponible a través de los pines digitales 0 (RX) y 1 (TX). Un chip FTDI FT232RL integrado en la placa canaliza esta comunicación serie a traes del USB y los drivers FTDI (incluidos en el software de Arduino) proporcionan un puerto serie virtual en

Anexos.

60

el ordenador. El software incluye un monitor de puerto serie que permite enviar y recibir información textual de la placa Arduino. Los LEDS RX y TX de la placa parpadearan cuando se detecte comunicación transmitida través del chip FTDI y la conexión USB (no parpadearan si se usa la comunicación serie a través de los pines 0 y 1). La librería SoftwareSerial permite comunicación serie por cualquier par de pines digitales del Duemilanove. Tanto el ATmega168 y ATmega328 también soportan la comunicación I2C (TWI) y SPI. El software de Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso el bus I2C, ver la documentación para más detalles. Para el uso de la comunicación SPI, ver la hoja de especificaciones (datasheet) del ATmega168 o ATmega328.

A.7 Programación

El Arduino Duemilanove se puede programar a través del software Arduino(descargar). Selecciona "Arduino Duemilanove w/ ATmega328" o "Arduino Diecimila or Duemilanove w/ ATmega168" del menú Tools > Board (dependiendo del microcontrolador de tu placa). Para más detalle ver referencia y tutoriales. El ATmega328 y el ATmega168 en las placas Arduino Duemilanove viene precargado con un gestor de arranque (bootloader) que permite cargar nuevo código sin necesidad de un programador por hardware externo. Se comunica utilizando el protocolo STK500 original (referencia, archivo de cabecera C). También te puedes saltar el gestor de arranque y programar directamente el microcontrolador a través del puerto ISCP (In Circuit Serial Programming);

A.8 Reinicio Automático (Software)

En vez de necesitar reiniciar presionando físicamente el botón de reset antes de cargar, el Arduino Duemilanove está diseñado de manera que es posible reiniciar por software desde el ordenador donde esté conectado. Una de las líneas de control de flujo (DTR) del FT232RL está conectada a la línea de reinicio del ATmega328 o ATmega168 a través de un condensador de 100 nanofaradios. Cuando la línea se pone a LOW (0V), la línea de reinicio también se pone a LOW el tiempo suficiente para reiniciar el chip. El software de Arduino utiliza esta característica para permitir cargar los sketches con solo apretar un botón del entorno. Dado que el gestor de arranque tiene un lapso de tiempo para ello, la activación del DTR y la carga del sketch se coordinan perfectamente. Esta configuración tiene otras implicaciones. Cuando el Duemilanove se conecta a un ordenador con Mac OS X o Linux, esto reinicia la placa cada vez que se realiza una conexión desde el software (vía USB). El medio segundo aproximadamente

Anexos.

61

posterior, el gestor de arranque se está ejecutando. A pesar de estar programado para ignorar datos mal formateados (ej. cualquier cosa que la carga de un programa nuevo) intercepta los primeros bytes que se envían a la placa justo después de que se abra la conexión. Si un sketch ejecutándose en la placa recibe algún tipo de configuración inicial u otro tipo de información al inicio del programa, asegúrate que el software con el cual se comunica espera un segundo después de abrir la conexión antes de enviar los datos. El Duemilanove contiene una pista que puede ser cortada para deshabilitar el auto-reset. Las terminaciones a cada lado pueden ser soldadas entre ellas para rehabilitarlo. Están etiquetadas con "RESET-EN". También podéis deshabilitar el auto-reset conectando una resistencia de 110 ohm desde el pin 5V al pin de reset.

A.9 Protección contra sobretensiones en USB

El Arduio Duemilanove tiene un multifusible reiniciable que protege la conexión USB del ordenador de cortocircuitos y sobretensiones. Aparte que la mayoría de ordenadores proporcionan su propia protección interna, el fusible proporciona un capa extra de protección. Si más de 500mA son detectados en el puerto USB, el fusible automáticamente corta la conexión hasta que el cortocircuito o la sobretensión desaparecen.

A.10 Característ icas Físi cas

La longitud y amplitud máxima de la placa Duemilanove es de 2.7 y 2.1 pulgadas respectivamente, con el conector USB y la conexión de alimentación sobresaliendo de estas dimensiones. Tres agujeros para fijación con tornillos permiten colocar la placa en superficies y cajas. Ten en cuenta que la distancia entre los pines digitales 7 y 8 es 160 mil (0,16"), no es múltiple de la separación de 100 mil entre los otros pines.

Anexos.

62

Anexo B Esquema de “Arduino Duemilanove”

Fig. B 1 Esquema Arduino Duemilanove

Anexos.

63

Anexo C Correspondencia de pines entre ATmega168/328 y Arduino.

Es necesario tener en cuenta que esta tabla es para el chip en formato DIP. El

Arduino Mini está basado en un formato físicamente más pequeño que incluye dos pines

para el conversor analógico-digital, que no están disponibles para las versiones de Arduino

que implantan el chip en formato DIP.

Fig. C 1 Conexionado Atmega 168 / 328

Anexos.

64

Anexo D Analizador lógico USB-LOGI-100

Con el USB analizador lógico USB-LOGI 100 es posible analizar hasta 18 canales.

El USB analizador lógico USB-LOGI 100 trabaja con una velocidad de muestreo de hasta 100 MHz. La alimentación se realiza a través de un puerto USB con 5 V. No es necesario un componente de red externo para el USB analizador lógico USB-LOGI 100. El USB analizador lógico USB-LOGI 100 puede procesar señales en el rango de 0 a 5 V. El USB analizador lógico define el nivel high a partir de una tensión de 2 V. El nivel low se detecta por debajo de 0,8 V. Además de un disparo interno, el USB analizador lógico USB-LOGI 100 puede procesar una señal de disparo externo. Aquí el USB analizador lógico distingue entre niveles, flancos y Channel Skew. El USB analizador lógico USB-LOGI 100 está conectado mediante un cable de medición adicional con el equipo de medición. El USB analizador lógico puede ser conectado directamente a los pines determinados de procesadores o componentes lógicos a través de micro-plebs opcionales. El completo análisis lógico se realiza con el software incluido Logi+. El software es compatible con Windows 2003 y superior. A continuación encontrará otros analizadores lógicos.

Fig. D 1 Analizador lógico USB-LOGI-100

- 18 canales - Trigger externo / interno - 100 MSamples / segundo

- Identificación de los niveles low y high - Amplio software de Windows - Cables de medición adicionales

Anexos.

65

D.1 Especificaciones técnicas

Interfaz USB

Tensión de alimentación 5 V a través de interfaz USB (no requiere componente de red)

Cantidad de canales 18

Nivel de entrada 0 ... 5 V

Valor umbral bajo: < 0,8 V alto: > 2 V

Tampón de sample 4096 x 18 bit

Modo de tiempo (reloj interno) 100 sample/s ... 100 Msamples/s

Cuota de sampling (reloj externo) 0 ... 100 MHz

Cuota de medición 100 Hz ... 100 MHz Pre-trigger 1/8 ... 7/8 trigger preestablecido

Niveles de trigger 2

Ajuste de trigger por canal nivel, flancos, inclinación del canal

Conector 1 x conector de 20 pines

Temperatura operativa 10 ... 50 °C

Dimensiones 80 x 61 x 22 mm

Requisitos del sistema USB 2.0 o interfaz USB 1.1 resolución de la pantalla 1024 x 786 Windows 7 / Vista / XP / 2003

Anexos.

66

Fig. D 2 Visualización en el analizador lógico.

D.2 Contenido 1 x analizador lógico USB-LOGI-100, software de Windows "Logi+"

Fig. D 3 Cables de medición de 20 pines

Cables de medición de 20 pines El cable de medición se conecta simplemente a la conexión hembra del PC analizador lógico USB-LOGI 100. Los cables de color tienen una leyenda apropiada. Por lo tanto, puede asignarlos sin problemas. Además de la conexión directa de los cables abiertos a soldaduras estándar, el cable de medición puede ser conectado a micro-klebs. Atención: El cable de medición no está incluido en el contenido del envío! Para que se pueden utilizar todos los 36 canales del analizador lógico se necesitan dos juegos de cables!

Fig. D 4 Micro-klebs

Micro-klebs Los micro-klebs encajan en el cable de medición de 20 pines del PC analizador lógico USB-LOGI 100. Con la ayuda de los micro-klebs se pueden recibir y analizar directamente las señales del componente TTL. No es necesaria una conexión separada a través de soldaduras. Esto facilita el trabajo cuando se analizan diversos componentes sucesivamente.

Anexos.

67

Anexo E Osciloscopio registrador PKT-1230

Este osciloscopio registrador PKT-1230 de 200 MHz dispone de un analizador lógico de 16 canales. La visualización de los datos se realiza a través de una pantalla de TFT de 8" de color con buena resolución e iluminación de fondo. A través del puerto USB permite la transmisión rápida de datos masivos al ordenador. Los equipos electrónicos son cada vez más complejos y el número de circuitos digitales y sistemas de bus en serie van aumentando. Debido a que a menudo la señal de prueba son señales analógicas o digitales, el usuario necesita un digitalizador que pueda verificar estas señales, como ocurre con el osciloscopio registrador PKT-1230. Permite múltiples aplicaciones, como por ejemplo en el área de formación, en el sector servicios y en el sistema de control de calidad. Los valores de medición permiten ser almacenados directamente en el lápiz USB. Su memoria interna ofrece una capacidad de hasta 2.000.000 puntos por canal. Los diferentes modos de disparo (trigger) del osciloscopio registrador PKT-1230 facilitan en gran parte la medición. Aquí encontrará una visión general de todos los osciloscopios.

Fig. E 1 Osciloscopio registrador PKT-1230

E.1 Osciloscopio registrador Conexión directa de lápices USB

- Velocidad de muestro por canal: 1 GS/s en tiempo real - Sensibilidad máxima: 1 ns

Ancho de banda 200 MHz - Memoria de hasta 2.000.000 puntos por canal

Analizador lógico Ancho de banda 66 MHz 16 canales

Rango de medición de señal de entrada ±15 V

- 4 millones de puntos (16 k a 400 MS/s) - Velocidad de muestreo de 20 S/s hasta 400 MS/s

Anexos.

68

E.2 Osciloscopio

Ancho de banda 200 MHz

Pantalla 20 cm, TFT de 8" (640 x 480 píxeles)

Canales 2 canales + disparo (trigger) externo + analizador lógico

Registro de los valores de medición

Velocidad de muestreo en tiempo real 1 GS/s (tiempo real) por canal

Secuencia de medición normal, valor pico, promedio

Componente horizontal

Base temporal 1 ns - 100 s / div

Componente vertical

Sensibilidad 2 mV ... 10 V / div

Acoplamiento de entrada DC, AC, GND

Resistencia de entrada 1 MΩ ± 2 % en paralelo con 15 pF ± 3 pF

Tensión de entrada máx. 400 V/DC y ACss

Precisión DC 3 %

Transductor A/D 8 bit

Flanco de subida < 1,7 ns

Componente de disparo (trigger)

Modo de disparo flanco, vídeo, alternate

Funciones de medición

Mediciones automáticas 20 parámetros

Forma de onda matemática suma, resta, multiplicación, división, FFT

Memoria

Función de memoria máx. 2.000.000 puntos (1 canal)

Memoria de la forma de onda 4 formas de onda

E.3 Analizador lógico

Ancho de banda 66 MHz

Canales 16

Velocidad de muestreo 20 S/s hasta 400 MS/s

Resistencia de entrada 1 MΩ ± 2 %

Rango de medición de señal de entrada ± 15 V

Anexos.

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Valor límite de tensión ±10 V (4 ajustes)

Modo de disparo flanco, bus, status, sincronizado, trigger patrón, disparo (trigger), en una

secuencia lineal

Ajuste de la posición de disparo (trigger) antes, centro, después

Memoria 4 millones de puntos (16 k a 400 MS/s)

Ajustes de memoria 10

Sistema de datos sistema binario, decimal y hexadecimal

E.4 Especificaciones generales

Alimentación AC 100 ... 240 V AC / 50 Hz

Dimensiones (ancho x alto x profundidad)

370 x 180 x 120 mm

Peso 2,2 kg

Documents

Proyecto Carlos Calderon Analizador Logico