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Diseño hardware y software de una tarjeta de
conmutación con topología 1-Wire Matrix 12x15 para
aplicación en equipos de test industriales
TITULACIÓ: E.T.I.E.I.
AUTOR: Jaume Banegas Isern.
DIRECTOR: Carlos Rubio Corredera.
PONENT: Esteban del Castillo.
DATA: Juny / 2007.
El presente proyecto describe el trabajo efectuado en Lear Corporation durante los diversos
convenios de prácticas realizados en la empresa, desarrollando una nueva tarjeta de
conmutación a nivel hardware y software para los equipos de test dispuestos en sus líneas
de producción.
Este proyecto contiene información confidencial, debido a la “normativa de projectes fi de
carrera (ETI-E, ETIE-I, EAEI)” aprobada el 30 de mayo de 2003, se han redactado dos
versiones. El presente trabajo es la versión reducida, disponible en la biblioteca del centro,
el cual contiene una introducción al contenido del documento íntegro.
El propietario legal del proyecto original es el departamento de ingeniería de test, de Lear
Corporation holding Spain, SLU.
Situado en:
Carrer Fusters, 54
Polígono Industrial
P.O. BOX 23
43800 VALLS (Tarragona)
España
1.1. Objeto del proyecto
El objeto del proyecto es el estudio, diseño e implementación de una tarjeta para configurar
un equipo de conmutación, soportado por PC, para efectuar tests de dispositivos
electrónicos para la industria de la automoción.
Actualmente, el aumento de dispositivos electrónicos en los vehículos, parece imparable,
avanzando en plazos de tiempo muy reducidos. Éste aumento es debido a las múltiples
funciones que se controlan electrónicamente en éste, así como prestaciones mínimas
exigidas por parte de los clientes, las cuales suelen ser controladas electrónicamente. A
parte, se deben añadir todos los elementos de seguridad activa del vehiculo y el uso de
buses CAN(“Controller Area Network”),entre otros, especialmente diseñados para la
comunicación entre elementos del vehículo minimizando costes en cobre y mano de obra.
Se prevé, también, en un futuro próximo, que muchas de las funciones mecánicas pasen a
ser eléctricas (utilizando electro-válvulas), lo que se traduce en un incremento aún mayor.
Éstos aumentos tan significativos, en un corto plazo de tiempo, han provocado que el
módulo de control del vehículo (centralita electrónica o sistema principal), haya pasado de
ser un elemento meramente pasivo a ser controlado por varios microprocesadores. Hecho
que implica disponer de unas máquinas de test cada vez más sofisticadas.
El proyecto se interesa en sustituir los equipos actuales de conmutación que se montan en
las máquinas de test, que tiene dispuestas en planta la emprese, por nuevos equipos de
conmutación, sin necesidad de realizar ninguna modificación hardware y software, en las
máquinas de test actuales ni en las líneas de producción.
Un segundo objetivo del proyecto es el estudio del software de control y de los
componentes a utilizar para un diseño económicamente viable, consiguiendo un sistema
fiable, eficaz y práctico.
Por el perfil que el proyecto adquiere se busca un sistema de comunicaciones con PC
rápido y seguro, compatible con la mayoría de PC’s comerciales y fácil de usar desde el
sistema operativo Windows XP, muy conocido por usuarios noveles y medios.
En la figura 1.1. se muestra un esquema básico de la máquina de test actual en la empresa.
Como puede verse, la máquina de test es el conjunto del equipo de conmutación más el
equipo de captura, ambos controlados desde PC. Es fácil deducir que el equipo de captura
lee las señales de salida del dispositivo bajo test (DUT) y el equipo de conmutación
introduce las señales que se crean oportunas en las entradas del (DUT), siendo PC el
encargado de sincronizar ambos equipos y hacer las peticiones que se crean oportunas al
equipo de conmutación, de manera que al leer el resultado del equipo de captura se pueda
determinar el estado del DUT.
USB
Equipo Captura
450 Outputs
del
dispositivo
bajo test.
PC
{
DUT
Periférico
industrial de 96
E/S digitales
5V / TTL
bidireccionales
Dispositivo
bajo test
450 Inputs
al dispositivo
bajo test.
26 bits
PERIBUS
Equipo Conmutación
Figura 1.1. Esquema funcional máquina test actual
Inicialmente el equipo de captura usaba un método de comunicación parecido al
PERIBUS, pero por factores de fiabilidad y de mercado, evolucionó hacia un equipo
activo, controlado por microcontroladores, posibilitando el almacenamiento de
información referente a los tests, incrementando la velocidad y la integridad de los datos.
Esta claro pues, el desarrollo de un nuevo equipo de conmutación para equiparar éste con
el equipo de captura, adaptando la máquina de test a las exigencias actuales del mercado.
1.2. Alcance del proyecto
El presente proyecto pretende ser un documento útil para la empresa, pudiéndose usar para
la fabricación de prototipos, mantenimiento en planta y depuración de software de la
máquina de test. Éste consta de las siguientes partes:
• Diseño e implementación del hardware
• Diseño e implementación del software
• Estudio económico
1.3. Titular
El propietario legal del proyecto es el departamento de ingeniería de test, de Lear
Corporation holding Spain, SLU.
Situado en:
Carrer Fusters, 54
Polígono Industrial
P.O. BOX 23
43800 VALLS (Tarragona)
España
1.4. Antecedentes
El equipo actual de conmutación que se monta en las máquinas de test es muy propenso a
fallar, siendo sus errores difíciles de detectar, y en caso de reparación muy costosos.
Los principales problemas encontrados en las tarjetas de los equipos actuales son:
• Fallo de relés
El relé que actualmente se monta en las tarjetas del equipo se avería con facilidad, debido
al exceso de circulación de corriente, superando los límites especificados por el fabricante.
Según especificaciones, la corriente máxima que puede circular por el relé, una vez se ha
conmutado, es de 0.83 A. Sin embargo, la máxima corriente que puede conmutar con una
carga conectada es de 0.5 A. Límites muy por debajo de las exigencias mínimas para
efectuar tests a los dispositivos fabricados.
Aunque también se debe considerar que no se realiza ningún tipo de gestión de tiempos
para la conexión o desconexión de relés de la misma rama de la matriz de conmutación. Es
decir, no se controlan los tiempos que tardan los relés de una rama en activarse o
desactivarse, por lo que se pueden producir cortocircuitos de poca duración a través de
ésta.
• Fallo Drivers de Relés
Debido a que los drivers de relés no disponen de ninguna electrónica de protección y
acondicionamiento de las señales adquiridas desde el backplane, éstos pueden verse
afectados muy fácilmente por problemas de éste, tales como ruido electromagnético, sobretensiones o cortocircuitos, provocando errores aleatorios o definitivos.
• Fallo comunicaciones
Las comunicaciones con el equipo de conmutación son muy inseguras, el bus usado
(PERIBUS) es muy sensible a ruidos y acoplamientos electromagnéticos, muy frecuentes
en los entornos industriales. Se destaca que no hay ningún tipo de gestión de errores, por lo
que no se puede garantizar que todas las tarjetas conmuten sus relés con lo estipulado
desde PC.
• Inmunidad ruido alimentación
El control de las conmutaciones y de las comunicaciones de las actuales tarjetas del equipo
de conmutación, lo efectúa una FPGA, la cual está alimentada directamente de la tensión
del backplane, siendo ésta muy vulnerable a ruidos, sobre-tensiones y cortocircuitos del
backplane, provocando múltiples errores aleatorios o la destrucción de la misma.
1.4.1. Necesidades y prestaciones del equipo
Se necesita que las tarjetas a diseñar puedan gestionar, almacenar, enviar y recibir
información de cualquier tipo con PC. Con las que se pueda generar un nuevo equipo de
conmutación que resuelva los problemas anteriormente descritos, capaz de adaptarse a las
exigencias actuales de test, siendo un sistema económico, fiable, de rápida conmutación,
que permita la gestión de información y con gran portabilidad de hardware.
Aunque debido a motivos económicos, se especifica que las nuevas tarjetas también
puedan ser usadas en los equipos de conmutación actuales dispuestos en las máquinas de
test. Para que inicialmente puedan coexistir equipos nuevos y antiguos (formados con las
nuevas tarjetas).
La compatibilidad que se requiere para las tarjetas es a nivel hardware y software, por lo
que deben ser transparentes para la maquina de test. Es decir, se exige poder sustituir
cualquier tarjeta del equipo actual por las nuevas, sin necesidad de realizar ninguna
modificación en el equipo. Aunque debido a esa compatibilidad las tarjetas se limiten al
protocolo PERIBUS (sistema de comunicaciones actual diseñado por la empresa), por lo
que únicamente se dediquen a conmutar, sin poder usar ninguna de sus funcionalidades
desarrolladas, las cuales sólo se podrán usar mediante el nuevo sistema de comunicaciones.
A priori, se consideraron todos los componentes utilizados en la empresa para la
fabricación de sus productos, puesto que el coste de dichos componentes reduce
considerablemente el coste de producción del equipo. Aunque para todos los componentes
a usar que no figuraban en las listas de manufactura, se buscó una buena relación
calidad/precio.
ÍNDICE GENERAL
1. Memoria descriptiva
2. Memoria de cálculos
3. Planos
4. Presupuesto
5. Pliego de condiciones
6. Anexos
Anexo I. Manual de instrucciones del equipo de conmutación
Anexo II. Manual de usuario
Anexo III. Resultados experimentales
Anexo IV. Código programa
Anexo V. Información técnica de los componentes
Anexo VI. Bibliografía
1. Memoria descriptiva.
ÍNDICE
1.1. Objeto del proyecto
1.2. Alcance del proyecto
1.3. Titular
1.4. Antecedentes
1.4.1. Necesidades y prestaciones del equipo
1.5. Estaciones de test actuales en la empresa
1.5.1. Breve reseña histórica
1.5.2. Introducción a las estaciones de test
1.5.3. Estructura de las máquinas de test
1.5.3.1. Snapshot
1.5.4. Equipos de conmutación actuales
1.5.5. Conclusiones
1.6. Posibles soluciones y solución adoptada
1.6.1. Compatibilidad Hardware y Software con equipos actuales
1.6.1.1. Backplane
1.6.1.2. Direccionamiento de tarjetas
1.6.1.3. Comunicaciones con PC
1.6.1.3.1. Controlador de USB
1.6.2. Comunicaciones entre tarjetas del equipo
1.6.2.1. Controlador de ISO K-Line
1.6.3. Matriz de conmutación
1.6.3.1. Tipo relé
1.6.3.2. Interfaz con relés
1.6.4. Protocolo de test
1.6.4.1. Test download
1.6.5. Circuito de control
1.7. Descripción general y hardware
1.7.1. Estructura y descomposición funcional del equipo
1.7.1.1. Backplane
1.7.1.2. Tarjeta
1.7.2. Interfaz con PC
1.7.2.1. Comunicaciones Peribus
1.7.2.2. Comunicaciones USB
1.7.2.2.1. Adaptación de USB al proyecto
1.7.3. Comunicaciones entre tarjetas
1.7.3.1. Bus interno ISO K-Line
123
1.7.4. Bloque de conmutación
1.7.4.1. Estructura de la matriz
1.7.4.2. Drivers de relés
1.7.4.3. Relés
1.7.5 . Autotest del equipo
1.7.5.1 . Conversor analógico digital
1.7.6. Control y gestión de información
1.7.6.1. Microcontrolador
1.7.6.1. Memoria EEPROM externa
1.7.7. Generador de PWM
1.7.8. Regulador de tensión
1.7.9. Identificador de tarjeta y bloque Led’s
1.7.10. Grabador del microcontrolador
1.8. Descripción software del equipo de conmutación
1.8.1. Generalidades
1.8.1.1. Funcionamiento como máquina de estados
1.8.1.2. Instrucciones del equipo
1.8.2. Gestión matriz conmutación
1.8.2.1. Comunicación con drivers relés
1.8.2.2. Gestión test y seguridad en conmutación
1.8.3. Comunicaciones
1.8.3.1. Gestión y detección errores CRC
1.8.3.2. Interfaz con PC mediante USB
1.8.3.3. Interfaz con PC mediante PERIBUS.
1.8.3.4. Interfaz entre tarjetas con ISO K-Line
1.8.4. Generación PWM
1.8.5. Autotest
1.8.5.1. Adquisición de datos analógicos Autotest
1.8.6. Configuración del módulo Pll y oscilador general del sistema
1.8.7. Gestión de tiempos y Reloj de tiempo real
1.8.7.1. Gestión watch dog timer
1.8.8. Gestión de información
1.8.8.1. Gestión memoria EEPROM.
1.8.8.2. Gestión de contadores de conmutaciones.
1.8.8.3. Gestión de contadores de DTC.
1.8.9. Inicializaciones y conclusiones
1.9. Especificaciones técnicas
1.9.1. Hardware
1.9.2. Comunicaciones
1.9.3. Software
1.10. Puesta en marcha y funcionamiento
1.11. Planificación
1.12. Resumen del presupuesto
2. Memoria de cálculos.
ÍNDICE
2.1. Bloque conmutación
2.1.1 Circuito de control de relés
2.2. Bloque control y gestión información
2.2.1. Circuito reset microcontrolador
2.2.2. Circuito oscilador microcontrolador
2.2.2.1. Lazo Pll
2.2.3. Circuito grabador del microcontrolador
2.2.4. Circuito direccionamiento
2.3. Mapa de memorias EEPROM externas
2.4. Bloque Alimentación
2.4.1. Circuito regulador de tensión
2.4.2. Protecciones sobre tensiones
2.4.3. Consumo de una tarjeta en reposo
2.5. Bloque acondicionamiento y protección de entradas y salidas
2.5.1. Entradas y salidas analógicas
2.5.2. Entradas y salidas digitales
3. Planos.
ÍNDICE
3.1. Esquemas electrónicos
3.1.1. Backplane Equipo Test
3.1.2. Tarjeta Equipo Test
3.1.2.1. Circuito Control (Microcontrolador)
3.1.2.2. Circuito EEPROM
3.1.2.3. Circuito comunicación USB
3.1.2.4. Circuito comunicación ISO K-LINE
3.1.2.5. Circuito comunicación Peribus
3.1.2.6. Circuito Alimentación
3.1.2.7. Circuito Direccionamiento Manual
3.1.2.8. Circuito Drivers Relays
3.1.2.9. Circuito generador PWM
3.1.2.10. Circuito Autotest
3.2. PCB
3.2.1. Backplane Equipo Test
3.1.2.1. TOP
3.1.2.2. Bottom
3.1.2.3. Componentes TOP
3.1.2.4. Componentes Bottom
3.2.2. Tarjeta Equipo Test
3.1.2.1. TOP
3.1.2.2. Bottom
3.1.2.3. Componentes TOP
3.1.2.4. Componentes Bottom
4. Presupuesto.
ÍNDICE
4.1. Mediciones
4.1.1. Hardware Tarjeta
4.1.1.1. Bloque Control
4.1.1.2. Bloque comunicaciones
4.1.1.3. Bloque alimentación
4.1.1.4. Bloque conmutación
4.1.1.5. Bloque entradas / salidas digitales
4.1.1.6. PCB
4.1.1.7. Costes ingeniería de hardware
4.1.2. Software
4.1.2.1. Costes ingeniería de software
4.2. Cuadro de precios
4.2.1. Hardware Tarjeta
4.2.1.1. Bloque Control
4.2.1.2. Bloque comunicaciones
4.2.1.3. Bloque alimentación
4.2.1.4. Bloque conmutación
4.2.1.5. Bloque entradas / salidas digitales
4.2.1.6. PCB
4.2.1.7. Costes ingeniería de hardware
4.2.2. Software
4.2.2.1. Costes ingeniería de software
4.3. Aplicación de precios
4.3.1. Hardware Tarjeta
4.3.1.1. Bloque Control
4.3.1.2. Bloque comunicaciones
4.3.1.3. Bloque alimentación
4.3.1.4. Bloque conmutación
4.3.1.5. Bloque entradas / salidas digitales
4.3.1.6. PCB
4.3.1.7. Costes ingeniería de hardware
4.3.2. Software
4.3.2.1. Costes ingeniería de software
4.4. Resumen del presupuesto
4.4.1. Hardware Tarjeta
4.4.1.1. Bloque Control
4.4.1.2. Bloque comunicaciones
4.4.1.3. Bloque alimentación
4.4.1.4. Bloque conmutación
4.4.1.5. Bloque entradas / salidas digitales
4.4.1.6. PCB
4.4.1.7. Costes ingeniería de hardware
4.4.2. Software
4.4.2.1. Costes ingeniería de software
5. Pliego de condiciones.
ÍNDICE
5.1.- Condiciones generales
5.1.1. Objetivo
5.1.2. Definiciones
5.1.3. Reglamentos y normas
5.1.4. Material
5.1.5. Ejecución del proyecto
5.1.6. Interpretación y desarrollo
5.1.7. Obras complementarias
5.1.8. Modificaciones
5.1.9. Proyecto defectuoso
5.1.10. Medios auxiliares
5.1.11. Recepción del proyecto
5.1.12. Responsabilidades
5.1.13. Fianza
5.2. Condiciones económicas
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
5.2.4.
5.2.5.
5.2.6.
5.2.7.
Condiciones de pago
Precios
Revisión de precios
Penalizaciones
Rescisión del contrato
Liquidación en caso de rescisión del contrato
Contrato
5.3. Condiciones facultativas
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.3.4.
5.3.5.
5.3.6.
Normas
Personal
Reconocimientos y ensayos previos
Ensayos
Aparellaje
Varios
5.4. Condiciones técnicas
5.4.1. Generalidades
5.4.2. Condiciones técnicas de la instalación
5.4.3. Condiciones del material
5.4.4. Normalización y tolerancias
5.4.5. Conductores y cables de conexión
5.4.6. Placas de circuito impreso
5.4.7. Resistencias
5.4.8. Condensadores
5.4.9. Diodos
5.4.10. Relés
5.4.11. Circuitos integrados
5.4.11.1. Microcontrolador
5.4.11.2. Memorias
5.4.11.3. Drivers comunicaciones
5.4.11.4. Drivers relés SPI
5.4.11.5. Drivers PWM
5.4.12. Caja de ubicación o “rack”
5.4.13. Especificaciones mecánicas
5.4.14. Aceptación de material equivalente
5.5. Conclusiones
Anexo I. Manual de instrucciones del equipo de
conmutación.
ÍNDICE
A.1.1. Instrucciones equipo test con comunicación USB
A.1.1.1. Descripción técnica de Instrucciones
A.1.1.2. Definición de las posibles tramas de respuesta del equipo a PC
A.1.1.3. Definición tramas instrucciones
A.1.1.3.1. Solicitar información general
A.1.1.3.2. Guardar información general
A.1.1.3.3. Solicitar información step de test
A.1.1.3.4. Guardar información step de test
A.1.1.3.5. Efectuar step de test modo automático
A.1.1.3.6. Efectuar step de test modo manual
A.1.1.3.7. Efectuar step de test modo debbug
A.1.1.3.8. Autotest tarjeta en Concreto
A.1.1.3.9. Autotest Global de Todas las tarjetas
A.1.1.3.10. Solicitar DTC
A.1.1.3.11. Enviar DTC
A.1.1.3.12. Solicitar Contadores de Conmutación
A.1.1.3.13. Actualizar contadores Conmutación
A.1.1.3.14. Reset contadores
A.1.1.3.15. Enviar Reset
A.1.1.3.16. Solicitar Ping a Todas las Tarjetas
A.1.1.3.17. Solicitar Identificación Dirección a Todas las Tarjetas...23
A.1.1.3.18. Autorizar Cambio Identificación
A.1.1.3.19. Activar PWM
A.1.1.3.20. Configurar retardo Conmutación
A.1.2. Instrucciones mediante comunicación PERIBUS
A.1.2.1. Descripción técnica de Instrucciones
A.1.2.2. Definición tramas instrucciones
A.1.2.2.1. Efectuar step de test modo Peribus
A.1.2.2.2. Gestión Reset Peribus
A.1.2.2.3. Gestión Autotest Peribus
A.1.2.2.4. Actualizar contadores Conmutación
Anexo II. Manual de Usuario.
ÍNDICE
A.2.1.
A.2.2.
A.2.3.
A.2.4.
Instalación del equipo.
Puesta en marcha.
Instalación de la aplicación de PC.
Utilización de la aplicación de PC.
Anexo III. Resultados experimentales.
ÍNDICE
A.3.
Resultados Experimentales
A.3.1.
A.3.2.
A.3.3.
A.3.4.
Juegos de pruebas
Retardos comunicaciones
Retardos conmutaciones
Adquisición de señales
Anexo IV. Código programa.
ÍNDICE
A.4.1. Código Microcontrolador
A.4.1.1. CRC – gestión buses
A.4.1.2. Interrupciones
A.4.1.3. Inicialización periféricos microcontrolador
A.4.1.4. Oscilador y WDT
A.4.1.5. Control de comunicaciones
A.4.1.6. Configuración y gestión de ATD, Uart’s y IIC.
A.4.1.7. Configuración y gestión de PWM, SPI y IIC.
A.4.1.8. Gestión PERIBUS
A.4.1.9. Autotest
A.4.1.10. Estados
A.4.1.11. Programa principal y State Overflow
A.4.1.12. Librerías y código ensamblador
A.4.2. Código PC
Anexo V. Información técnica de los componentes.
ÍNDICE
A.5.1. Microcontrolador Motorola HCS12, MC9S12DG256
A.5.2. Diodos
A.5.3. Driver PWM, Dual half bridge driver TLE 4207
A.5.4. Transistor Digital (built-in transistors) DTC144M
A.5.5. ISO K-Line MC33290/D
A.5.6. Driver USB, FT232BM
A.5.7. Regulador de voltaje L4938E/ED
A.5.8. Rotary switch RV4
A.5.9. Memoria EEPROM serial IIC 256K 24AA256
A.5.10. Cristal de cuarzo SMU3
A.5.11. Relés reed SIL series switch 31 form A.
A.5.12. Driver SPI L
Anexo VI. Bibliografía.
ÍNDICE
A.6.1. Libros
A.6.2. Páginas Web
A.6.3. Notas de aplicación y artículos
A.6.1. Libros
•
H. Rashid Muhammad. ‘Power Electronics, circuits, devices and applications’.
Prentice Hall
•
N. Mohan, W. Robbins and T. Undeland, ‘Power Electronics – Converters,
applications and Design ‘ Wiley ans Sons, New York, 1995.
•
Pallás Areny, R. –Adquisición y distribución de señales, Barcelona: Editorial
Marcombo 1993.
•
Carlson, A.B. –Circuitos: ingeniería, conceptos y análisis de circuitos lineales.
Madrid: Paraninfo Thomson Learning., 2001.
•
Gottfried, B.S. – Programación en “C”. (Sèrie Schaum). Madrid: Ed. MacGrawHill.
A.6.2. Páginas Web
www.freescale.com
www.semiconductors.philips.com
www.st.com
www.infineon.com
www.rohm.com
www.ftdichip.com
www.alldatasheet.com
www.microchip.com
www.jauch.de
www.meder.com
www.mqp.com
www.ipcitec.freeservers.com
www.ni.com
www.adlintech.com
www.pickeringtest.com
www.pxisa.org
www.pickeringrelay.com
www.cotorelays.com
A.6.3. Notas de aplicación y artículos
•
“Designing Next generation test systems, An in-depht developers guide”,
National Instruments.
•
PXI-7921. 24-CH, “multiplexer DPDT Relay module, User’s manual”,
National Instruments.
•
“Load switching and contact protection”, Meder electronics.
•
“Reed relay applications”, Meder electronics.
•
“The basic Reed switch”, Meder electronics.
•
“Reducing magnetic interaction in reed relay applications”, Meder
electronics.
•
“CRC generation”, Eagle Systems
•
“FT232BM Designers Guide”, Version 2.0, FTDI chip
•
“F2XX Programmers Guide”, FTDI chip
•
FT232BM USB UART (USB <-> SERIAL), FTDI chip