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.. CONTENIDO 1. Mecatrónica 1 a. Definición 2 b. Sistemasdemedición 3 c. Sistemasdecontrol 4 d. Sistemasde lazoabiertoy lazocerrado 4 e. Sistemasdecontrolsecuencial 6 2. Sensoresy transductores 7 a. Definición 8 b. Característicasdeoperación 8 c. Sensoresresistivos 9 d. Sensorescapacitivos 10 e. Sensoresinductivos 10 f. Sensoresde luz 11 g. Interruptores 12 h. Transductoresde presión 12 3. Acondicionamientodeseñalesanalógicas 15 a. Definición 16 b. El transistor 16 c. Polarizacióndeltransductor 17 d. Amplificadoresoperacionales 19 e. Filtrosanalógicos 22 f. El puentedeWheatstone 23 g. Conversoresanalógico-digital 23 4. Electrónicadigital 27 a. Definición 28 b. Sistemasnuméricos 28 c. CódigodecaracteresASCII 30 d. <?peracionesaritméticas 31 e. AlgebraBooleana 32 f. Compuertaslógicas 34 g. Circuitoscombinacionalesy secuenciales 36 5. Motores 37 a. Definición 38 b. Motoresdecorrientedirecta(DC) 38 c. Motoresde pasos 41 d. Servomotores 44 e. Robótica 45 6. Microprocesadores 47 a. Definición 48 b. Arquitecturade microprocesadores 49 c. Registrosinternos 51 d. MemoriaRAM 54 e. Puertos 56 7. Lenguajeensamblador 57 a. Definición 58 b. Introducciónal programaDEBUG 59 c. Estructuradel lenguajeensamblador 61 d. Programación 62 e. Instruccionesbásicas 63 f. Ejemplosde programaciónen lenguajeensamblador 65 8. LenguajeC 67 a. Definición 68 b. Diseñode unprograma 68 c. Estructurade unprograma 69 d. Palabrasreservadas 72 e. Estructuradedatos 72 f. Sentenciasdecontrol 75 g. Funciones 78 h. InlineAssembler 79 9. LenguajesVisuales 83 a. El entornodeprogramación 84 b. MS VisualBasic 86 c. MS VisualC++ 89 d. Tecnología.NET 93 1O.lnterfazGPIO modeloK-400 97 a. ¿Por quéunainterfazde8 bits? 98 b. El puertoparalelo 99 c. Diseñoelectrónicode la interfaz 104 d. Programaciónde la interfaz 106 e. Programaciónen lenguajesvisuales 109 11.Integraciónde proyectos 119 a. K-405Displaynumérico 122 b. K-410Semáforo 123 c. K-415Relevadores 124 d. K-420ConversorAnalógico/Digital 125 e. K-425Probadordecablesdered 126 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Capítulo1 Mecatrónica Pág.! EL ASC DE LA MECATRÓNICA Mlealrónica DEFINICiÓN Aunqueno es un conceptonuevo,estetérminohaadquiridounagranimportancia en los últimosaños porel impactode sus aplicaciones.Por lo tanto,Mecatrónica no es una palabrasimplede definirya que se refierea la automatizaciónde procesos basada en la integraciónde los sistemasde control,concepto que analizaremosa lo largodel libroya queel enfoquede la Mecatrónicaconsideraa lossistemascomoel núcleodesu análisis. Mecatrónicase refiereal diseño integradode los sistemasbuscandoun menor costo,una mayoreficiencia,una mayorconfiabilidady flexibilidaddesde el punto de vista mecánico,eléctrico,electrónico,de programacióny de control. La Mecatrónicaadopta un enfoque integraldesde estas disciplinasen lugar del enfoquesecuencialtradicionaldeldiseñopartiendode unsistemamecánico,luego el diseñode la parteeléctricay luegosu integracióncon unmicroprocesador. La Mecatrónicase puedetomarcomo la oportunidadde analizary resolverlos problemasde automatizacióndesde una perspectivadiferentee integral,donde los ingenierosno se debenlimitara considerarúnicamentela solucióndesde el punto de vista de su especialidad,sino en el contexto de una gama de tecnologías.Este enfoque mecatrónicoserá convenientepara considerar el comportamientode cada parte del sistema en función del resultadogeneral esperado. La Mecatrónicaabordasu estudiopartiendodel conceptode sistema.El sistema más simplepuedeconsiderarsecomo una estructuracerradacon una entraday una salidaen dondeel principalinteréses conocerla relaciónentreestas dos variables. Sistema Entrada Salida Por ejemplo,untermómetropodríaconsiderarseun sistemade medicióndondela entradasería la magnitudquese quieremedir,es decir,la temperaturay, la salida seríael valornuméricoregistradoen el termómetro.Este sistemapodríacrecery convertirseen un sistemade controlde la temperatura,al cual podríamosllamar Pág.2 EL ASC DE LA MECATRÓNICA sistemade calefacción.De esta formaestaríamoshablandode un sistemade control,el cualfijaríaunasalidadentrode unrangoprogramado. La Mecatrónica,en su partede control,se auxiliade los desarrollostecnológicos en sensores y transductores, sistemas de medición, actuadores, microprocesadores,microcontroladoresy muchosmás. SISTEMAS DE MEDICiÓN Revisemosbrevementedos de los sistemasbásicosparael análisisy diseñode losproyectosmecatrónicos:lossistemasdemedicióny lossistemasde control. Lossistemasde mediciónse refierena la cuantificaciónde algunavariablefísica. Estos sistemas tienen un elemento de medición en la entrada (sensor o transductor),un acondicionadorde la señal obtenida y alguna forma de presentacióno representacióndel valor calculado.Por ejemplo,si quisiéramos medirla cantidadde aguaque tieneun tinaco,lo podríamoshacermedianteun potenciómetro(resistenciavariable)queactuaríacomoun sensorde posicióndel flotadorque nos indicaríael nivel del agua, un amplificadoroperacionalque acondicionaríael cambiode resistenciay loconvertiríaen unrangodevoltajesy al finalnecesitaríamosalgúntipode displayo indicadornuméricode estosvalores. ------------------ ------------------ ------------------ Suestructurabásicarepresentadaendiagramade bloquespuedeser Pág.3 Sensoro Acondicionadorde Presentación Transductor la señal delvalor EL ASC DE LA MECATRÓNICA SISTEMAS DE CONTROL Por otro lado, los sistemasde controlmantienena lo largo del tiempoo de cualquierotroparámetrounvalorconstanteo programadode la variablefísicaque se estámidiendo. Por lo tanto,los sistemasde controlse basanen sistemasde medición,de los cualeses tomadasu saliday retroalimentadacomo entradaal sistema. Siguiendo con el ejemplodel tinaco, un sistema de control nos ayudaría a mantenerel niveldel agua en un determinadopuntoo en un rango,según su programación. On-Off 11", '. \ " '1 \ ," \ " " \ , I I \ , Tomadeagua ------------------ ------------------ ------------------ Esta ideade sistemasde controlestápresenteen muchasactividadeshumanasy requierende unagrancreatividady recursostecnológicospara lograrsolucionds de calidad. SISTEMAS DE LAZO ABIERTO Y DE LAZO CERRADO Los sistemasde controlse puedenclasificaren sistemasde lazo abiertoy en sistemasde lazo cerrado.Los sistemasde lazo abiertoson sencillosy poseen poca capacidadde control.Los sistemasde lazo cerradoson más complejosy tienencontrolexactosobrelasvariablesde salida,ya queéstaes retroalimentada comoentradageneraldelsistema. Pág.4 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Comparador Entrada Salida Sistema Señalde error Retroalimentación El comparadores el elementoque comparael valor programadocomo salida esperada(Entrada),contra el valor real de salida medido del sistema. Esta diferenciase consideracomolaseñaldeerror. Señaldeerror=valorprogramadocomosalida- valorrealde salida El bloquede sistemapuedetenervariossubsistemasinternosque modifiquende diferenteforma la señal de entrada. Generalmentese podrá encontrar un subsistemade controlque decidaqué accióntomarsobre una señalde error,un subsistemade correcciónque permitaejecutar una acción, a través de un actuador,para producirun cambioen la salidadel sistemay un subsistemade proceso,queserálavariablea controlarporpartedelsistema. El bloquede retroalimentacióncontieneel dispositivode medicióncon un valor relacionadocon laseñaldesalidadelsistema. Considerandoel ejemploanteriorsobreel sistemade controlde llenadodeltinaco deagua,loselementosdelsistemade lazocerradoserían: Salida 181Nivel del agua del tinaco Entrada 181Posición del flotador Comparador 181Palanca del flotador (potenciómetro) Señal de error 181Posición inicialde la palanca - posiciónreal de la palanca Corrección 181Palanca con pivote/ válvulade aguaProceso 181Nivelde agua del tinaco Dispositivode medición 181Flotadory palanca Pág.5 EL ASC DE LA MECATRÓNICA SISTEMAS DE CONTROL SECUENCIAL En ocasiones,el tiempoes la principalvariablede controly la que determinael ordenen que transcurreun determinadoproceso.Es decir,una vez terminadoel paso 1, se iniciael paso2 queal concluirse iniciael paso3 y así sucesivamente hastaterminar. En estos sistemas,el tiempoy la secuenciade eventosdefinen la estructura generalde control.Desdeluegoquese puedehablarde un procesosecuencialde unasolavariableo deunsistemademuchasvariables. Un ejemplo típico de sistemade controlsecuenciales la operación de una lavadorade ropacon un ciclode lavadode 17minutos,cuyoanálisisse presenta en el siguientediagrama. Con estagráficade tiempo,analizamosla secuenciay la duraciónde cadaunode loscuatroprocesosdeunalavadora:llenar,agitar,centrifugary vaciar. Pág.6 Minutos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Lavar EniuaClarI Secar Llenar X X X X X X AClitar X X X X X X CentrifuClar X X X X X Vaciar X X X X X X X EL ASC DE LA MECATRÓNICA Capítulo2 Selsoresvtralsductores Pág.7 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Sensoresvtransductores DEFINICiÓN Los sensoresson dispositivosquemidenla magnitudde unaseñaldeterminaday producenuna señal relacionada.Los sensores usan las propiedadesde los materialesde los que estánhechosy así compararsu comportamientoante las variacionesde la señala medir.El termómetrode mercurioes un ejemploen el que la sensiblepropiedadde dilataciónque tieneel mercurioante cambiosde temperatura,se aprovechaparaequipararlaa su medición. Muchosde lossensoresmásusadossoneléctricoso electrónicos,aunqueexisten de otros tipos,y las magnitudesa medirson fenómenosfísicos como diversos tipos de energía,velocidad,aceleración,tamaño,cantidad,etc. Como ejemplo podemosmencionarsensoresde temperatura,humedad,fuerza, deformación, acidez,luz,sonido,contactoy proximidad. Los transductoressondispositivoscapacesde transformarundeterminadotipode energíade entradaen otradiferentey relacionadade energíade salida. Como ejemplopodemosmencionartransductoreselectroacústicos,electromecánicos, electromagnéticos,electroquímicos,fotoeléctricos,piezoeléctricos,termoeléctricos y de presión. Los micrófonos,las bocinas,los tecladosde los equiposy los ventiladores,son ejemplosprácticosdeaplicacionesdetransductores. CARACTERíSTICAS DE OPERACiÓN El funcionamientoy evaluaciónde los transductoresse basa en diferentes característicasde operación,las cualesse puedenampliary convertirseen las característicasde los sistemasde mediciónen su conjunto.Independientemente deltipodetransductordelquesetrate,éstassiempreestaránpresentes. Las característicasmásconsideradasson: · Intervalo.Es el rangoenmagnitudquepuedetenerlaseñaldeentrada · Extensión. Es el valor máximo de entrada que puede detectar un transductor · Resolución.Es la mínimaseñalde cambioen la señaldeentradadetectada porel transductor · Sensibilidad.Es la relaciónque existe entre la entraday la salida del transductor Pág.8 EL ASC DE LA MECATRÓNICA · Error.Es la variaciónexistenteentreel valor real de la señal y el valor registradoporel transductor · Exactitud.Es la capacidadde reproducirla mismaseñal de salidaa la mismaseñalrealdeentradasuponiendounerrorconstantedeltransductor · Histéresis.Es la exactituden laseñaldesalidaconsiderandosi loscambios en laseñaldeentradasonporincrementoso pordecrementosdevalor. · Linealidad.Es la exactitudquese obtieneen el intervalode operacióndel transductor · Estabilidad.Es la garantíade exactitudduranteel mayorperiododetiempo deusodeltransductor. · Acoplamiento.Se refierea la impedanciade salida del transductorque afectael circuitoenel quese conecta. SENSORES RESISTIVOS Lossensoresresistivosson los queaprovechanlos cambiosde resistenciaen su materialpara medir la señal asociada. Este tipo de sensores basados en la variaciónde la resistenciaeléctrica son muy usados ya que son muchas propiedadesfísicasque la afectan,pudiendoclasificarseen mecánicas,térmicas, ópticasy químicas. Ve Un potenciómetro es una resistenciavariable cuyo valor se determinapor el desplazamientode un contacto móvil deslizante o giratorio. Este desplazamiento,se convierteen una diferenciade potencial,dedondesevuelveunsensormuyusado. El diagramaeléctricoequivalentees muysimilaral de la resistencia,solamenteque tiene un indicadordel contactomóvil,llamadotambiéncursor. , L- I VI } V2 RI Pág.9 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Estasdiferenciasde potencial(V1- V2) se puedenasociara un modelode dos resistenciasen serie. Una aplicaciónde sensoresresistivosson losdetectoresde temperaturabasados en lavariaciónde resistenciaeléctricadesus materialesy son denominadoscomo RTD (ResistanceTemperatureDetectors).La resistencia nominalde untermistor se elige fundamentalmentecon base al alcancede temperaturade operación. Mayores valores de resistenciacorrespondena temperaturasmás elevadas, mientraslasbajastemperaturasrequierenmenoresresistencias. SENSORES CAPACITIVOS Los sensorescapacitivosson sensoresque sus materialesse comportancomo condensadoreseléctricos. Los condensadoresson dispositivosque, sometidosa unadiferenciade potencial(voltaje)adquierenunadeterminadacargaeléctrica.A esta propiedadde almacenamientode carga se le denominacapacidad.Los condensadoresestánformadosde dos placaso láminasconductorasseparadas porunmaterialdieléctrico. Una aplicaciónde sensores capacitivosson los detectoresde nivel, los cuales modificansus características al modificar la cantidad de dieléctricoentresus placas,productodel niveldel líquidoqueestánmidiendo. En ocasioneses el mismolíquidoel que simula ser lasegundaplacadelcondensador. Este tipo de sensores tambiénson usadospara medir humedad,proximidady posición. SENSORES INDUCTIVOS Los sensoresinductivosson los que trabajanen formade bobinas.Las bobinas estánformadaspor hilo de cobreenrollado,tambiénllamadodevanado,y cuyo principiode funcionamientoes que al pasar una corrienteeléctricapor sus terminales,éstas almacenanenergíaen formade campo magnético.Debidoa estascaracterísticas,la detecciónde materialesmetálicosferrososes una de sus aplicaciones más comunes, por lo que son usados como detectores de posicionamiento,proximidady comodetectoresde metales. Pág.10 EL ASC DE LA MECATRÓNICA La inductancia de las bobinas depende del diámetrodel cable del que están hechasy del númerodevueltasdesu fabricación. Al igual que los sensores capacitivos, son sensoresquerespondenmuybienen sistemasde corrientealterna,siendola frecuenciade la señal que los estimulaunade lasvariablesa medirpara identificarsus cambios. Estacapacidadde almacenamientode energía magnéticade las bobinas,es usadaparaafectara otrasbobinas.Es así comose formanlos transformadores. Lostransformadoresdiferencialesdevariaciónlineal(LVDT)son losquemodifican elcampomagnéticoentrelasbobinasal modificarla posiciónde su núcleo. CA SENSORES DE LUZ Núcleo Los sensoresde luz modificanlas propiedadesde los materialesal variar la intensidadde luz que reciben.Las fotorresistenciasy los fotodiodosson muyusadosen estetipodeaplicaciones. Losfotodiodostienenuna mejorrespuestalinealque las fotorresistenciasque,en cambio,ofrecenun altovalorde resistenciaen la oscuridadpudiendollegara 2 MOhms,y unvalorde resistenciade50 KOhmsenmayoriluminación. Pág.11 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Los fotodiodosson semiconductores,por lo que basansu principiode operación en el comportamientode las unionesP-N. De aquí que se puedanformarlos fototransistores,en los que la luz incidesobre la regiónde la base, haciéndolo mássensiblequeel fotodiodoporelefectodegananciapropiodeltransistor. INTERRUPTORES Los interruptorespuedenser un tipo especialde sensoresya que, aunqueno modificanlas propiedadesfísicas de sus componentes,sirvenpara detectar diferentesestadosdefenómenosu objetosquese quieranmedir. La construcciónde los interruptoresofrece una gama de posibilidadespara detectarmovimientos,posicionesy frecuenciasde comportamientode estos objetos. Los interruptoresmecánicoso electromecánicos de los relevadores,tienenuno o variospares de contactosquetransmitenestosestadosal circuito al que están conectados.Este comportamiento permiteo noel pasode una señaleléctricade CC o CA y tambiénse puedetraducircomo señales de 1'sy O's,estaúltimacondiciónmuyutilizadaen los sistemas con enfoque digital, es decir, sistemasquepermitendosestados. Los interruptoresmecánicos se especificanen funcióndel númerode polosy tiroscon queestán fabricados. Los polos son el número de interruptoresque funcionana lavezen cadaposicióny los tirosson el númerodecontactosporposición. En aplicacioneselectrónicas,unode los problemasquese presentacon el usode interruptoresmecánicoses el rebotefísico de sus contactos.Este rebotepuede ser interpretadopor la electrónicadel circuitoen el queestáconectadocomouna señal diferente,por lo que hay que tomarloen cuenta y hacer los ajustes necesarios.Algunasmedidaspuedenser el retardoen la lecturade la señal,el usodecircuitosde memoriaadicionaleso el usodecircuitostiposchmitttriggers. TRANSDUCTORES DE PRESiÓN Los nombresde lostransductoresindicanlatransformacióny mediciónquehacen. De esta forma, cualquierdispositivoque conviertael movimientomecánico Pág.12 EL ASC DE LA MECATRÓNICA generadoporfuerzasasociadasa una presiónexternay quese traduzcaen una señaleléctricao electrónica,se podráconsiderarcomountransductordepresión. Estos pueden tener diferentes encapsulados, segúnlaaplicaciónparalaqueestándestinados. La presiónse puededefinircomola fuerzaquese ejerce sobre una unidad de área conocida y muchas veces se mide en comparacióna otra columnade referencia.Los transductoreslo harán midiendoel desplazamientoo deformaciónde su membranao diafragma. La presión también puede ser producto del volumende unfluido(líquidoo gas). Pág.13 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Acondicionamientodeseñalesanalóuicas DEFINICiÓN Las señales obtenidasde los sensores y transductoresque se usan en los sistemas de medición,tienen que ser procesadasy adaptadas para poder pasarlasa lasiguienteetapa. Este procesode adaptaciónes lo que se conocecomo acondicionamientode la señaly comoejemplode estoscambiosse puedenmencionarlossiguientes: · La señaldel sensoro transductores demasiadapequeña,por lo que hay queamplificarlaparaquese puedaacoplaren lasiguienteetapa · La señal tiene interferenciasno deseadas,lo cual puedeser muycomún cuandolostransductoresnotienenunbuenaislamientoeléctrico · La señal del transductores de tipo analógicoy hay que acoplarlaa un sistemadigital,por lo que habráque pasarlapor un conversoranalógico- digital · La salidadeltransductornotienela impedanciaadecuadaparala siguiente etapa,loquecausaríapérdidade laseñaldesalida · La señaldeltransductores unvoltajede DC y hayquecambiarloa pulsos · En las primerasetapasde los sistemasde instrumentaciónes comúnque se tenganqueacoplary adaptarseñalesdecorrientey de voltajequesean proporcionales · La señal de salida del transductorno es lineal,por lo que es necesario hacerunacorrección Este acondicionamientode las señalesde los transductorespuedeser simpleo complejoy hayelementosy configuracionesestándarparasu tratamiento. EL TRANSISTOR Los transistores son dispositivos semiconductores que debido a sus característicasde operaciónpuedendesarrollarvariasfuncionesprincipales.Una es de amplificadorde señales,otraes de ser uncircuitode conmutación,es decir, un interruptor(switch)electrónico,de osciladory tambiénpuedeser un rectificador de señales. Los transistoresestánformadospor trescapassemiconductorasque formandos unionesbipolaresy que puedentenerun ordenP-N-P o N-P-N, por lo que en el diseñode circuitosson consideradoscomoelementosactivos,a diferenciade los elementospasivosformadosporcondensadores,resistenciasy bobinas. Pág.16 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Cadacapa tienesu nombre,por lo que el transistor tieneun colector(c), un emisor(E) y unabase(B).Los transistorespuedentenerdiferentesencapsulados ysurepresentaciónparael diseñode circuitosse muestraa continuación. B E B ~ . 5 (,..~ E , r i , Lostransistores,graciasa lastecnologíasde integración,se hanvueltoel principal componentede todos los circuitos integrados.Las compuertasdigitales, los microprocesadoresy todotipode circuitointegradoestáncompuestosde millones detransistoresmicroscópicos. POLARIZACiÓN DEL TRANSDUCTOR Como la polarizaciónde los dos tipos de transistoresbipolareses diferente, empezaremospordiferenciarsu diagramaeléctrico. NPN PNP Independientea que laelaboraciónde los transistoresNPN es mássimple,su uso puedeestardefinidoporloscriteriosde diseñodelcircuito,yaque usándolocomo switch,si el estímuloes un 1 convendráusar un NPN y si el estímuloes un O entonceslaelecciónseráun PNP. La operacióndeuntransistorse basaen lossiguientesconceptos · La uniónBase-Emisorse comportacomoundiodo · Unacorrientede Basesolamentefluyecuandoel voltajeS-E es mayora 0.7Volts · La corrientedel Colectores igual a la corrientede Base aumentadaporlagananciadeltransistor,llamadahFE Pág.17 EL ASC DE LA MECATRÓNICA · Se necesitaincluiruna resistenciaen serie con la Base del transistorparalimitarsu corrientey evitardañarlo · En un extremode operación,el transistorentraríaen estado de saturación,lo que causaría un VCE de O volts y un comportamientode switch · La corrientedel Emisores iguala Ic + lBy como lBes muy pequeñase puedesuponerqueIE=le r---r--+9V Interrupt..jv ! lj' $470~ ..1.. corriente 10k"% "de colector corriente .1. ::::L?LECe de base 'V brillante LECB debil --- ;;.-- rutadecorrientedebase ~ rutade corrientede colector En el diagramase muestranlasdos rutas de corriente,lB e le que se lograncon componentesestándar.El transistor,por ejemplo,.puedeser un MPS2222A o un BC548. La corrientede Base es la quecontrolala corrientedelColector. Cuando el interruptor se cierra, la pequeñacorrientede Base fluyey prende el LEO B con una intensidaddébil. El transistoramplificala corrienteque fluye del Colectoral Emisor,por lo que el LEO C prendecon unaintensidadbrillante. Cuando el interruptorse abre, no fluye corrientepor la Base, por lo que los dos LEOs se apagan. Cuandoel transistorse usa como switchelectrónicola polarizaciónse va a los extremosde operación,por lo quese saturaparacerrarloy se apagaparaabrirlo. El dispositivoa prender/apagarmediantelasimulaciónde abrir/cerrardelswitchse le llamacarga. - La formade operaciónen un transistoren configuraciónde switches: · Cuandoel transistorestá apagado la corrientede colectores cero,por loque lex VeE=O · Cuandoel transistorestáenestado de saturación,el voltajeColector- Emisores casi cero, por lo que el productolex VeEes muypequeño, lo que significaque la potenciaes baja y entonces no debe causar calentamientoenel transistor. Pág.18 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Los valores importantesa considerar es esta configuraciónson la máxima corrientedecolectory la mínimagananciadecorrientehFE. diodo de protección - +V Si la carga del switchelectrónicoes un motor, un relevador o algún tipo de bobina, se debe incluir un diodo de protecciónquecuideal transistorde algún dañocuandodeapagalacarga. La figuramuestrala polarizacióninversa del diodo,lo quegarantizaquecuandola carga se apaga, la corrientefluya por el diodoy protegeal transistor. El transistores un buenswitchparaDC, por lo quesi lo quesi se quierecontrolar corrienteAC o altovoltaje,se tendráqueusarun relevador. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Los amplificadoresoperacionales son amplificadoresde señal con una configuracióngeneralprediseñadayquese encuentraencapsuladaen un circuito integrado.Tresde lascaracterísticasimportantesson: · Tienen una entrada diferencial,es decir, una entrada positiva y una negativa · La salidadel amplificadorse definecomoVOUT=G (V+- V_),por lo que la gananciaes g =Vo/ Vi · En formaideal,la impedanciadeentradaen infinitay lade salidaes nula Esta figura representael diagrama eléctrico de los amplificadoresoperacionales. Los voltajes Vs son voltajes de polarización que, generalmente,puedenllegara losnivelesde 15Volts. El modelouA741de lacompañíaFairchaildes unode los másconocidos. Graciasal diseño de los amplificadoresoperacionales,estos puedentener una configuraciónde lazoabiertoy tambiénde lazocerrado.Si el voltajede salidase retroalimentacomo voltajede entradanegativo,la configuraciónserá de lazo cerrado. Los amplificadores operacionales pueden tener diferentes configuraciones,lo que los hace un dispositivomuy atractivopara acondicionar señales. Pág.19 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Comparador Seguidor Inversor Rf Rin Vin ,j\ - No Inversor Vout Vout · Esta es una aplicación sin la retroalimentación.Compara entre las dos entradasy entregauna salidaen funciónde quéentradasea mayor.Se puede usar para adaptar niveles lógicos IT _ {VS+ Ví >V2Yout - ITVs- Vi < Y2 · El seguidores uncircuitoque proporcionaa lasalidaunvoltajeigual quea laentrada · Se usacomounbuffer,paraeliminar efectosdecargao paraadaptar impedancias(conectarundispositivocon granimpedanciaa otroconbaja impedanciay viceversa) · El inversores unamplificadorque cambiael signoo lafasedelvoltajede entra.La gananciaestádeterminadapor la relaciónde resistencias · El no inversores unamplificadorde señalcon unagananciadeterminada porla relaciónde resistencias. Pág.20 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Sumador Inversor Yn Rn Vout Restador (amplificadordiferencial) - Integrador Ideal e R - Derivador ideal R - Vout Vout Vout · El amplificadorsumalosvoltajesde entradae inviertelaseñaldesalida · Estaconfiguraciónrestalosvoltajesde entrada.La polaridaddelvoltajedesalida dependede la magnitudde losvaloresde entrada · La señaldeentradase integracomo unafuncióndependientedeltiempo · La señaldesalidaestáinvertida · \!¡niciales elvoltajecuandot=O rt \Í; Vout=10- R~dt+Vinicial · La señaldeentradase derivay se inviertecon respectoal tiempo Pág.21 EL ASC DE LA MECATRÓNICA FILTROS ANALÓGICOS Algunasseñalesqueentreganlos sensoresy transductorescontienenseñalesde interferencia,productodel ambienteen el quese encuentran.La interferenciade la líneadevoltajeo de señalesderadiofrecuenciasonalgunosejemplos. Los filtrosanalógicospuedeneliminarestasseñalesparásitaslimitandoel ancho de banda a través de generar diferentessegmentos,diferentestúneles que permitanpasarsolamentela señalquese deseatransmitir.El límiteentrelo que se pasa y entre lo que se rechazase conocecon el nombrede frecuenciade corte. Los filtrosse clasificande acuerdocon los segmentosde frecuenciaque dejan pasar o que rechazan.De esta formala clasificaciónpuedeser de cuatrotipos diferentes: 1. Filtropasabajas ~ 2. Filtropasaaltas Permiteel pasode señalesdesde una frecuencia Ohastalafrecuenciade corteestablecida Permite el paso de señales a partir de la frecuenciadecorteestablecida 3. Filtropasabanda Permiteel paso de señales dentrode un rango superiore inferiordefrecuencias 4. Filtrosupresorde banda Permiteel paso de señales en todo el espectro exceptoenun rangoestablecidodefrecuencias Pág.22 EL ASC DE LA MECATRÓNICA En losfiltros,la frecuenciade cortese consideracuandolaseñalalcanzael 70.7% desu valor,loqueequivalea unaatenuaciónde3 dB. Los filtrostambiénse clasificanen pasivosy activos.Los filtrospasivosestán formadosporresistencias,condensadoresy bobinas. e R Vout - Filtroactivopasabajas EL PUENTE DE WHEATSTONE Una de sus desventajas es que la frecuencia se puede modificar por el consumodeenergíade loscomponentes. Los filtrosactivosse refierena los circuitos con elementos semiconductores como transistoresy amplificadoresoperacionales y no tienen la desventajade los filtros pasivos.Las configuracionesde Integrador y Derivador de los amplificadores operacionalessonusadascomofiltros. Es un arreglode resistenciasmuyusadoparamedirlos cambiosen unade ellas, locualproduceuncambiodevoltajeensu salida. Este circuito resistivopuede operar con voltaje directo en un rango menor a 12 volts. Cuando el puente está en equilibrio, significaqueel voltajede salidaes O,porlo que implicaqueR1=R2y R3=R4. Si la resistenciavariableR4 es el elemento sensor que se está usando y cambia su valor,el voltajede salidava a cambiaren consecuencia. En ocasiones,estos sensoresrequierende un elementode compensaciónpara evitarcambiosadicionalescomopodríaser porfactoresde temperatura. CONVERSORES ANALÓGICO-DIGITALES El mundoen que vivimosgeneraseñales de tipo analógicas.Los sensoresy transductoresde señales,siemprevan a generarseñalesanalógicas.Para que Pág.23 EL ASC DE LA MECATRÓNICA estas señales puedan ser incorporadasa sistemasdigitalesdel tipo circuitos electrónicosdigitales o computadoras,es necesario cambiar estas señales ana/ógicasa señalesdigitales. Para manejaresta conversión,el sistemabinario,con dígitosO y 1, es la base teóricaparapodermanejarla.Estosdígitosbinarios,desdeel puntode vistade la electrónica,son llamadosbits.Cuandounnúmerose representaporestesistema, la posicióndel dígitoen el númerobinarioindicael peso asignadoa cadadígito, pesoque tieneun equivalenteen unsistemadecimaly queaumentaen unfactor de 2, representadoporlaexpresión2n 23 8 Bit 3 22 4 Bit2 21 2 Bit1 Como ejemplo,el númerodecimal12 en un sistemabinariotiene la siguiente representación 1 1 o o La comprobaciónde8 +4 confirmaquelaconversiónfuecorrecta. Según el númerode bits,será la capacidad del conversor,ya que a mayornúmerode bits,la resolucióny el rangodeamplitudde la señal a manejarseránmayores.En caso de usar 4 bits, solamentese podrándistinguir 16númerosincluyendoel O. La operaciónde los conversoresanalógico- digitalse basaen un circuitode muestreode laseñaly el módulodeconversión. . En la parte superiorde la figura se ve la señal que se quiere convertir.En la parte centralse representael circuitode muestreo que tomaráuna lecturade la señal con una frecuenciafija. En la parteinferiorse ven los valores recolectados por el circuito de muestreo que simula la señal original, mostrando solamente los valores muestreados. " Pág.24 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Estas muestrasse pasan al conversoranalógico-digitaly así se obtendrásu equivalenteenel númerode bitsquetengael conversor. La frecuenciade muestreode una señales importante,ya quedefinela fidelidad con la quese va a reproduciren formabinaria.El teoremade Nyquist- Shannon, conocidocomoel teoremade muestreo,diceque parapoderser reconstruida,la frecuenciade muestreodebeser por lo menosdeldoblede la frecuenciamáxima de laseñaloriginal. Hayvariosmétodosde conversiónanalógico- digital.El métodode escaleraes muyusado en dispositivosde bajo precioy consisteen incrementarla cuentabinariahastaque ésta coincidaconel valoranalógicoa comparar. La figurailustrauna entradaanalógicaen el ejeverticaly unasalidadigitalequivalenteen el ejehorizontal. La longitudde la palabrabinariadeterminala resolución del conversor, definiendo el cambio de señal más pequeñoque puede detectara su salida. De estamaneraun convertidoranalógico-digitalde una longitudde palabrade 8 bits,con un intervalode señalanalógicade 5 volts,el númerode nivelesen una palabraes de28=256,Y porellola resoluciónes 5/256=19.5mV. Pág.25 EL ASC DELA MECATRÓNICA Capítulo4 Electrónicadiuital Pág.27 EL ASC DE LA MECATRÓNICAElectrónicadigital DEFINICiÓN La electrónicadigitalha alcanzadoun excelentenivel de integracióny en la actualidadunsinnúmerode dispositivosbasansu operaciónen estastecnologías. Igualmentesucede con los sistemas de control que se aplican a diversos mecanismos.Una característicaimportantede estos sistemases que dependen de dos únicosvaloresde operación,el "O"y el "1", generalmenteasociadosa voltajesdeOy +5volts. La teoríaque rigela operaciónde estoscircuitoses el álgebrade Boolequetiene su equivalenteen compuertaslógicas.El términológicacombinacionalse refierea la combinaciónde dos o más compuertaslógicas para ofrecer el resultado deseado. SISTEMAS NUMÉRICOS Los fenómenosfísicos y químicossiempretienenuna representaciónen valores decimales.El sistemadecimalse representaa partirde 10dígitosdiferentes:O,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Y 9. En cualquiersistemanumérico,la posicióndeldígitoindicael pesoasignadoel cual,en el sistemadecimal,aumentaen unfactorde 10en cada posiciónqueaumentaa la izquierda. 103 Millares 102 Centenas 101 Decenas 10° Unidades Así se puedemostrarlaequivalenciade losnúmerosdecimales,comoporejemplo el 2,575. El sistemabinariose representaa partirde 2 dígitosdiferentes:Oy 1. Igualmente, la posicióndeldígitoindicasu pesoasignadoel cualaumentaen unfactorde 2 en cadaposiciónqueaumentaa la izquierda.Estosdígitosbinariosse lesdenominan bits. 2° BitO Pág.28 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Así se puedemostrarlaequivalenciaal númerodecimal13 Agrupandodetresen treslosdígitosbinariosdederechaa izquierda,se lograuna conversiónal sistemaoctal.El sistemaoctalse representapor8 dígitosdiferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 Y 7. La posicióndel dígito indicasu peso asignadoel cual aumentaen unfactorde8 encadaposiciónqueaumentaa la izquierda. Así se puedemostrarlaequivalenciaal númerobinario111001100,460decimal. Agrupandode cuatroen cuatrolos dígitos binariosde derechaa izquierda,se logra una conversión al sistema hexadecimal.El sistema hexadecimalse representapor16dígitosdiferentes:O,1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,A, S, C, D, E Y F. La posicióndeldígitoindicasu pesoasignadoel cual aumentaen unfactorde 16en cadaposiciónqueaumentaa la izquierda. Así se puede mostrarla equivalenciaal númerobinario 100110101100,2,476 decimal. En cualquiersistemanuméricoexceptoen el sistemabinario,los enterospositivos se representansin signoy los enterosnegativosse representancon un signode menosal principio.Como el sistemabinarioes usadoen las computadoras,hay una limitaciónimpuestapor el hardwareen la que tododebe representarseen formatobinario.Para tal efecto,los númerosnegativosse representancon el bit mássignificativode la palabraquese usa. La convenciónes queel bites cerosi el númeroes positivoy uno si es negativo.Normalmenteno hay problemapara identificarlosbitssi se defineconanticipaciónel tipode representacióna usar. En electrónicase usa unequivalenteadicional,el sistemadecimalde codificación binaria(SCD) muyusadotambiénpor las computadoras.Este sistemarepresenta los númerosdecimalesen formabinariapero en formaindependiente,no como una cantidadúnica.Así, el número23 decimalse representacomo 010 011en formatoSCD. Pág.29 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Estecódigoes útilparalassalidasde lossistemasbasadosen microprocesadores y queofrecensalidaa displaysnuméricos. La siguientetablarepresentaunequivalenteentrelossistemasnuméricos. Decimal O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Binario 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Octal O 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 CÓDIGO DE CARACTERES ASCII Hexadecimal O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C O E F BCD 00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00010000 00010001 00010010 00010011 00010100 00010101 La manipulaciónde los númerospor las computadorasse puedeextendera la manipulaciónde letras. Por lo tanto, además de tener una representacióny manipulaciónde números,es necesarioteneruna representaciónde letrasy de caracteresadicionalesusadosen lostextos. El códigobinarioestándarparalos caracteresalfanuméricoses el llamadocódigo ASCII (AmericanStandard Codefor InformationInterchange).Este código usa una longitudde palabrade7 bits,loquepermiterepresentar128caracteresdiferentes. Estos incluyenletrasminúsculas,mayúsculasy caracteresde puntuación.Los primeros33caracteres(incluyendoel O)y el 128son decontrol,porlo quenoson caracteresimprimibles. El códigoASCII se representacon sietebits,pero las computadorasmanejanuna palabramínimade ocho bits, llamadabyte. Por esta razón, lo más comúnes almacenarel códigoASCII en ocho bits Este bitextrase utilizaparaotrosfines, quegeneralmentese usaparadarindicacionesadicionalesa la impresora,ya que estecódigose usaparatalesfines. Pág.30 EL ASC DELA MECATRÓNICA A continuaciónse muestraunatablaASCIIcodificada ensietebits,dondese muestranloscaracteresdecontrol,elabecedarioenminúsculaymayúsculay los caracteresespeciales. OPERACIONES ARITMÉTICAS Las operacionesaritméticasen los diferentessistemasnuméricossiguenlas reglasde la aritméticaordinaria.Si lossignossoniguales,lasmagnitudesse operanyguardanelmismosigno.Silossignoscambian,losresultadoscambiarán enconsecuencia. En el sistemabinariolas operacionescon númerosnegativosusan una codificacióndiferente,llamadasistemadecomplementoconsigno.Mientrasqueel sistemademagnitudesusaelbitmássignificativoa unoparaindicarqueelsigno es negativo,en estenuevoformatolos númerosnegativosse indicanen su complementoaunoodos. Por ejemplo,considerandouna representaciónde 8 bits el número+10se representaen formabinariacomo00001010,el -10 suponiendoel sistemade magnitudconsignocomo10001010,encomplementoaunocomo11110101Yen complementoa doscomo11110110. La sumade dos númerosbinarioscon signopositivo,se regirápor las reglas ordinarias.La sumaentrenúmerosbinariospositivosy negativos,seconvertiráel númeronegativoaformatodecomplementoadosyseresolverásumandolosdos operandos.El resultadoquedaráen complementoa dos,por lo quehabráque hacerotraconversiónparatenerlamagnitudreal. Pág.31 o 16 32 48 64 80 96 112 O NULL DLE sp O @ P , P 1 SOH DC1 i 1 A a a q 2 STX DC2 " 2 B R b r 3 ETX DC3 # 3 C S c s 4 EOT DC4 $ 4 D T d t 5 ANa NAK % 5 E U e u 6 ACK SYN & 6 F V f v 7 BEL ETB , 7 G W g w 8 BS CAN ( 8 H X h x 9 HT EM ) 9 I Y i Y 10 LF SUB * J Z i z 11 VT ESC + , K [ k { 12 FF FS , < L \ I I 13 CR GS - = M ] m } 14 SO RS > N A n ,.." 15 SI US / ¿ O o DEL EL ASC DE LA MECATRÓNICA Pararepresentarel comentarioanterior,se presentalasuma8 +10Y 8 - 10. 8 00001000 +10 +00001010 +18 00010010 8 00001000 - 10 - 11110110 - 2 11111110 La restade dos númerosbinarioscon signonegativoy que estánen formatode complementoa dos, se resuelveenunaformasencilla:se obtieneel complemento a dos del sustraendoy se suma al minuendo.En caso de un acarreo en la operación,éstese desprecia.Comoejemplo,laoperación(-8)- (-10)=2 11111000 00001010 + 00000010 ÁLGEBRA BOOLEANA El álgebra Booleana es una herramienta importante porque todas las computadorasdigitales requierenuna definiciónde las reglas que rigen la manipulaciónde variablesde dos valores,conceptosdictadospor este tipo de álgebra. Estas reglasse representanpor las operacionesbásicasAND, OR Y NOT. Estas reglas se escribenen forma de tablas de verdad, las cuales especificanlos resultadosde todas las combinacionesde entradaposibles. Los resultadosse expresanen formatode FALSO y VERDADERO. Tambiénpuede sarcomoun '1'o un 'O'. La operaciónBooleanaAND se puedeexpresarcon un resultadoverdaderosólosi lasdosentradassonverdaderaso 1. El símboloBooleanode laoperaciónAND es unpunto(*),porloquesu representaciónes La tabladeverdadde laoperaciónAND es Pág.32 A B e O O O O 1 O 1 O O 1 1 1 EL ASC DE LA MECATRÓNICALa operaciónBooleanaOR se puedeexpresarcon un resultadofalsosólo si las dosentradasson falsaso O.El símboloBooleanode laoperaciónOR es unsigno más(+),porloquese representaciónes C=A+B Latabladeverdadde laoperaciónOR es La operaciónBooleanaNOT expresael complementodel valorde entrada.Si la entradaes verdaderala salidaes falsa.El símboloBooleanode laoperaciónNOT es unabarraen la partesuperiorde lavariable,porloquesu representaciónes - C=A La tabladeverdadde laoperaciónNOT es Hay otraoperaciónque se usa con frecuenciaque es el EXCLUSIVE-OR. Esta operaciónse puedeexpresarcon un resultadoverdaderosólo cuando las dos entradassondiferentes.El símboloBooleanode la operaciónEXCLUSIVE-OR es unsignomásdentrode uncírculo(@),porlo quesu representaciónes La tabladeverdadde laoperaciónEXCLUSIVE -OR es Las operacionesBooleanasrespetanel formato.originalde la ley conmutativa, asociativay distributiva. El álgebra Booleana es un álgebra que se ocupa de variables binarias y operacioneslógicas. Una función Booleana expresa la relación lógica entre Pág.33 A B C O O O O 1 1 1 O 1 1 1 1 A C O 1 1 O A B C O O O O 1 1 1 O 1 1 1 O EL ASC DE LA MECATRÓNICA variablesbinariasy que evalúatodos los valoresbinariosde la expresiónpara todoslos posiblesvaloresdeentrada. Una funciónBooleanase puedetransformarde una expresiónalgebraicaa un diagramade circuitoshechosconcompuertaslógicas. UnafunciónBooleanase representade lasiguienteforma: F1=A'B'C +A'BC +AB' dondeel apóstrofese tomacomocomplementou operaciónNOT,el signomáses unaoperaciónOR y lasvariablesse operanconunaoperaciónANO. COMPUERTAS LÓGICAS Una manerageneralizadade representarlas funcionesBooleanases el uso de símbolos llamadoscompuertaslógicasdigitales.Estas compuertasrepresentan bloquesfuncionalesquerecibenentradas,se procesany generanunasalida. Los símbolosde lascompuertaslógicasdigitalesson lossiguientes: Pág.34 EL ASC DELA MECATRÓNICA Nombre Símbolo gráfico Función algebraica Tabla deverdad Pág.35 x y F AND X =D-F O O O F=XY O 1 O Y 1 O O 1 1 1 X =D-F X Y F OR F=X+Y O O O Y O 1 1 1 O 1 1 1 1 Inversor X ----{>o----- F F=X' mO 11 O Búfer X --[>-- F F=X mO O1 1 X =Ct- F X Y F NAND F=(XY)' O O 1 Y O 1 11 O 1 1 1 O X =[>-F X Y F NOR F=(X+Y)' O O 1 Y O 1 O 1 O O 1 1 O X D-F X Y F XOR (OR F=XY'+X'Y O O O exclusivo) y F=XY O 1 1 1 O 1 1 1 O X D-F X Y F NXOR F=XY+X'Y' O O 1 Y F=(XY)' O 1 O 1 O O 1 1 1 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Comoejemplo,consideremoslasiguientefunción: CIRCUITOS COMBINACIONALES y SECUENCIALES Los circuitos lógicos para sistemas digitalespueden ser combinacionalesy secuenciales. Un circuito combinacionalconsiste en compuertaslógicas cuyas salidas en cualquiermomento,estarándeterminadaspor la combinaciónactualse entradas, quedandodefinidasu operaciónpor un conjuntode funcionesBooleanas,por lo quese puederepresentaren términosde tablasdeverdad. Un circuitosecuencialusa elementoscombinacionales(compuertaslógicas)más elementosde almacenamiento(memorias),y sus salidas son función de la combinación actual de entradas y del estado de los elementos de almacenamiento,ya sea en el momentoactual o como resultadode estados anteriores. Pág.36 A B C D A*B C<ffilD SALIDA O O O O O O O O O O 1 O 1 1 O O 1 O O 1 1 O O 1 1 O O O O 1 O O O O O O 1 O 1 O 1 1 O 1 1 O O 1 1 O 1 1 1 O O O 1 O O O O O O 1 O O 1 O 1 1 1 O 1 O O 1 1 1 O 1 1 O O O 1 1 O O 1 O 1 1 1 O 1 1 1 1 1 1 1 O 1 1 1 1 1 1 1 1 O 1 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Capítulo5 MOlores Pág.37. EL ASC DE LA MECATRÓNICA MOlores DEFINICiÓN En el Capítulo1 elconceptoMecatrónicase definióy se tratócon amplitudy entre másse avanzaen el estudiode estelibro,másclarodebequedarel temadelque se trata.Aun así, aunquees una palabrainteresante,puede resultarun poco confusao muytécnicaparamuchaspersonasque no estánfamiliarizadascon el tema. Entoncespodemos,aunquesea duranteestecapítulo,buscarun sinónimo a lapalabray enestecasoseráRobótica. La robótica es una actividad técnico-científicadedicada al desarrollo y construccióndedispositivoscuyafinalidades realizartareasen la mismaformaen laqueson realizadasporlas personas.Esta imitacióndetareaspuedeser sencilla o muycompleja,por lo que una de las característicasmás impresionantepuede ser el movimientoque realizanlos robots.De aquí que se diga que "Si no se mueve,noes unrobot" El movimientoque se puedalograren los robotssólo es posiblea travésde un motor,o varios,conectadoa una serie de poleas,engraneso de cualquierotro mecanismomecánicoqueayudeal movimientodelelementodel robot. Por lo tanto,valelapenarevisarlos fundamentosdeoperaciónde los motoresque nospermitanintroducimosenestefascinantetema. MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA (DC) Los motoresde DC son dispositivostecnológicosperfectamenteestudiadosque combinaneficienciay una operación controladacon facilidad. Los primeros estudiosy pruebasquese realizaronparadesarrollarlosse hicieronen 1821.Un motorde corrientecontinuaes un dispositivomecánicoquetransformala energía eléctrica en movimientorotacional.La principal característicadel motor de corrientecontinuaes su capacidadde regularsu velocidaddesde cero hasta la máximadiseñada. Pensando en un prototipo que se quisiera desarrollar,la imagenquese muestrapodríaser lo másrepresentativode estosdispositivos. Los motores de corriente continua están formadospordos partesprincipales:el estatory el rotor,conceptoque se aclaraen la siguiente imagen Pág.38 EL ASC DE LA MECATRÓNICA n Escobilla Fuentede volataje El estator está formado por los polos magnéticos formados por imanes permanenteso por un devanadode cablesde cobre. El rotor,generalmentede formacilíndrica,está formadode un devanadocon núcleo al que le llega la corrientede la fuentedevoltajemediantedosescobillas. La magnitudde la fuentedevoltajeva a determinarla velocidaddel motormedida enrevolucionesporminuto(RPM). Los motoresde DC podránvariasel sentidodelgirodependiendodel sentidodel flujode corrientequese les hagapasar,es decir,comoson motoresde corriente continua,la fuentede voltajeque los alimentadeterminaráel sentido,siemprey cuandolafuentedevoltajeesteenel rangodeoperacióndelmotorde DC. En unadescripciónmásgráfica,el sentidode girodelejedelmotordependede la posiciónde la bateríaen los bornesdel motor,lo que se puederepresentarde la siguienteforma: Pág.39 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Una característicade estetipode motoreses que, por si solos, no cuentancon detectoresde posiciónen su giro,por lo queunavez que se les aplicael voltaje girana máximavelocidadhastaquese cortael voltaje. Con base a estacaracterística,unode loscontrolesmás comunesque se puede tenersobreestosmotoreses la direcciónde giro. La configuraciónde un circuito llamadoPuente-Hes una formaadecuadapara este control,el cual puedeser armado con transistoreso adquiridoen forma comercial como un circuito integrado. Vcc . Vcc A B - - La lógicade operaciónde estetipode circuitoses que los transistorestrabajanen las regionesde cortey saturaciónde los transistores,porlo queel sentidode giro delmotorobedecea las reglasde lasiguientetabla: No se recomienda Para armarconéxitoestetipode circuito,es necesarioconocerlas características de demandade potenciadel motor,de lo contrariopodríaquemarlos transistores o no funcionar.Los circuitosintegradospueden llegar a manejarfácilmente1 Ampere,por lo que habría que aumentaruna etapa de potenciaen caso de necesitarunamayorpotencia. Pág.40 A B Dirección O O Sin giro O 1 Derecho 1 O Izquierdo 1 1 Sin giro EL ASC DE LA MECATRÓNICA ElcircuitointegradomodeloL298Nes un buenejemplode un PuenteH quesirve paramanejarmotoresde 4.5 V - 46 V pudiendoproporcionaruna corriente continuahastade 4 amperes.El chip tiene15 patascondos puentescompletos diseñadosparasercontroladosconvoltajesTIL. Ladistribucióndepinessegúnla hojadedatosdelfabricantees CURREHT SENSlNG B O\JTPUT.. OUTPUT 3 INPUT 4 ewilE B INPUT 3 LOOIC SUPPL Y VOLTAGEV. GNO INPUT2 ENABlE A INPUT1 SUPPlVVOlTAGEV. OUTPUT2 OUTPUT 1 CURRENTSENSINGA Otraformadeobtenerel controlsobrela direcciónde girodelejedel motorde DC esusarrelevadoresquesimulenla inversióndevoltajeen losbornesdel motor(El kitK-415ofreceestaposibilidad). MOTORES DE PASOS Los motoresde pasos son dispositivosmecánicosque ofrecenun grancontroly precisiónen su movimientorotacional,puescomosu nombrelo indica,se pueden moveren pequeñospasos,en pequeñosincrementosquese controlancon pulsos devoltaje. Estospasosen su giropuedenvariardesde90°hastapequeñosmovimientosde 1.8°.Para logrargiros de 90° se requierencuatropasos para dar una vuelta completa.Para logrargirosde 1.8°se requierendoscientospasospara lograruna vueltacompleta. Esto motoresestánformadospor diferentesbobinasque, al ser energizadasen unasecuenciadeterminada,vana generarlosgirosenel ejedelmotor. Pág.41 tl5 -$- t4 13 .2 11 -$- 10 g e 1 a !I -$- .. 3 :2 , EL ASC DE LA MECATRÓNICA Motor de Paso Bipolar Bobina1 :iQ ellD Bobina2 Unode losdos tiposde motoresde pasoes el Bipolar. La forma de identificarloes que solamentetienecuatrocablesde alimentación. Cada bobinase puedepensarcomoun motor de DC, por lo que estos motoresde pasos pueden ser manejados con un circuito de PuenteH por cada bobina.Así, un motorde pasosdemanejacondos PuentesH. El circuitointegradoL293Des un buenejemplo de un Puente H que sirve para manejar motoresde paso bipolarde baja potenciaen un rangode 4.5 V - 36 V pudiendoproporcionaruna corrientecontinuahastade 600mA.El chiptieneun encapsuladoDIP de 16patascondos puentescompletos diseñadosparasercontroladosconvoltajesTIL. ~o el ID La tabladeoperacióndeentecircuitoes: Pág.42 +V o +v J: . D2 , D3 . D4, , , - Activa.A 2 IN1 OUTl 3 Activa.B 7 IN2 OUT2 6 10 11 Activa.e 15 IN3 OUT3 14 Activa.D IN4 OUT4 L293 -.J - Pasos Terminales A B e D 1 1 o 1 o 2 1 o o 1 3 o 1 o 1 4 o 1 1 o EL ASC DELA MECATRÓNICA MotON:lePaso Unipolar A ocomú~Bobina1 e BmO.~ Eou Bobina2 El otrotipode motoresde pasoes el Unipolar. La forma de identificarloes que tiene seis cablesde alimentación. Uno de los circuitos integrados de baja potencia usado para controlareste tipo de motoresde pasospuedeser el ULN2803,que es unarreglode ochotransistoresquepueden manejarunacorrientemáximade 500mA. Al igualqueenel circuitoanterior,la activación es en nivelesTTL y es a travésde lasentradas de activaciónA, B, e y D, comose muestraen lasiguientefigura - La secuenciase puederepresentarconsiderandolas posicionesde las bobinasy su activación,lo quecausael movimientodeleje del motor.Las bobinasde color negro representanlas energizadas,lo que produce el movimientoen el eje representadoporlaflecha. 11 MI MI MI iI'E II,E II'E II~E I Ii 11 11 11 En estasecuenciase muestrauna rotacióncompleta,la cual puedelograren un númerodiferentede pasos. Pág.43 +V o I ActivaA 1 IN 1 OUT1 182 17 oActivaC 3 IN 2 OUT 2 16ActivaB IN 3 OUT 3ActivaD 4 IN 4 OUT 4 155 IN 5 OUT 5 14 6 IN 6 OUT 6 13 7 IN 7 OUT 7 12 I I I BI.§\ID 8 IN 8 O OUT 8 11 +V O 10 DIODECLAMP S EL ASC DE LA MECATRÓNICA SERVOMOTORES Los servomotoresson motoresde DC que en el mismocuerpo del dispositivo cuentan con un sensor de posiciónel cual permiteidentificarlas posiciones angulares del eje. En muchas versiones,este sensor de posición es una resistenciavariablela cualse convierteen el ejedel motor,por lo queel rangode giropuedequedarlimitadoal rangodelpotenciómetro. La siguientefigurailustralas partesprincipalesde un servomotoren la que se apreciael juegode engranesque reduceel girodel eje, por lo que se facilitael controlde posición,ya quecomose dijoen seccionesanteriores,el motorde DC solamentetienecontroldegirocambiandosu polaridad. \ Potenciómetro.~ Tarjetaelectrónica Esta últimacaracterísticahace,de estetipode motores,una herramientamuyútil en aplicacionestípicasde robótica,dondelos rangosde operaciónse encuentran limitadoscomo podría ser en el caso de una pinza para sujetarobjetos.Los valoresmáximoscomercialesse encuentranpor debajode los 220 gradosen el rangodegiro. La tarjetaelectrónicacuentacon loselementosnecesariosparamediry corregirla posiciónangulardel eje. Esta tarjetacuentacon tres cables,uno de voltajede alimentación,otrode tierray unomásdecontrol. El cablede controlrecibirápulsosdeduraciónvariablequeserá el tiempoen queel motorva a estarprendidoy así cambiarála posiciónangulardeleje,por lo que la duracióndel pulsoestará relacionadacon los grados de giro del eje. Esta forma de control es conocida por las siglas PCM, que significan modulacióncodificadadelpulso. Los valorescomercialestienenun girode 180gradosasociado a un pulso de duraciónde 2.5 milisegundos,de donde se deduceque un pulsode 0.5 milisegundosdaríaun girode cero gradosy unode 1.5milisegundosdaríaungirode 90grados. Pág.44 EL ASC DE LA MECATRÓNICA ROBOTICA Robóticaes untérminoquese explicaporsi sólo y que se aplicaa esa inquietud humanapordesarrollardispositivosquesimulentenervidae inteligenciaartificial. Estas característicasson usadas para desarrollarun sinnúmerode actividades repetitivas,pesadas, de alto riesgo para las personas o simplementepara entretenimiento. Invariablemente,estastareasse realizana travésdel controlde los movimientos realizadosporlos motoresdel roboto porcualquierotrotipode actuadores,como podríanser loshidráulicos La industriade la manufacturaha sidoun buencampode desarrollode la robótica donde se ven grandes beneficiosen el controlde la automatizaciónde los procesos de fabricación de productos aumentando, principalmente, la productividadde las industrias. Aunque la creaciónde autómatasha sido una actividadhumanadesde hace muchos años, fue a partir de 1980 que empezó el crecimientode estas tecnologíasy havenidoteniendouncrecimientoexponencial. En la actualidad,la robóticaocupaun lugarimportante en muchas actividades productivas y de entretenimiento.En la automatizaciónindustrial,se usa en tareasrepetitivaslograndograndesvolúmenes de producción, en la programaciónselectiva de actividades para lograr volúmenes pequeños de producción pero de una variedad importantede productos y para generar diferentes cadenas de producción con la finalidad de lograr productos complejosen poco tiempo,comparadocontra una manodeobracalificada. En la agricultura, se han desarrollado robots especializadospara automatizarlas pesadas labores de los agricultores.Estos robots pueden detectar diferentesplantas,hierbaso vegetalesy desarrollar tareas de identificación,recolección, clasificación, sembradoe incluso,de detecciónde plagas. Pág.45 EL ASC DE LA MECATRÓNICA En la actividadaero-espacialhay grandesavances, tantoqueya hayvariosaeropuertosen el mundoque están certificadospara el control automáticode despeguey aterrizajede aviones y en la carrera espacial los robotsteledirigidosestán desarrollando tareas de alto riesgo y complejidad para los astronautas. En el áreade seguridady combateal vandalismo,la policía va teniendodispositivosde ayuda que les permiteobtenerinformaciónde zonas internasde alto riesgo medianteel envío de informaciónde video, audioy otrasa los policíasque se encuentranen el exterior. y quedanmuchasmásaplicacionesporplaticary crear,por lo quees el momento de seguiravanzandoen el estudiode la mecatrónicay usarestadisciplinaparala innovacióndenuevossistemasdeautomatizacióny control. Pág.46 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Capítulo6 Microprocesadores Pág.47 EL ASC DE LA MECATRÓNICA MicroprocesadoresDEFINICiÓN Los microprocesadoresson circuitosintegradosque desde el año 1969 con la compañíaIntel,revolucionaronel diseñoelectrónicodedispositivos.El 4004fueel primermicroprocesadorqueteníaunaunidadcentralde procesos(CPU) de4 bits, una memoria ROM para almacenar instrucciones,una memoria RAM para almacenarprogramasy aplicacionesde los usuariosy algunospuertosde entrada y salida.Estemicroprocesadorfuediseñadoparacalculadorasdebolsillo. El cambio en el diseño electrónicoradica principalmenteen que los diseños anterioresa los microprocesadoreseran específicospara las funcionesque eran diseñados,mientrasque los diseñoscon microprocesadorespermitenutilizarel mismohardwareparadiferentesfunciones,funcionesquequedandesarrolladasy controladasporla programacióndelmicroprocesador. Este capítulo describe, principalmente,el uso de los microprocesadores en las computadoras personales describiendosu arquitectura,sus principalescomandos,su uso dentrode las computadoraspersonalesy las aplicacionesque se pueden desarrollarcomo controladorde proyectosmecatrónicos. En la actualidadcontamoscon un sinnúmerode dispositivos electrónicos que simplifican tareas, ofrecen diferentes serviciosy nosproporcionandiversión. La computadorase puede representaren algunos bloques funcionalespara entendersu formadeoperación.Por el momento,son treslosprincipalesbloques: Primeroestáel microprocesadorqueestáformadoporla UnidadAritméticaLógica (ALU) y el módulode control,representadopor los busesde datos,direccionesy control y por la electrónicaque ejerce control entre las diferentesunidades funcionales.El segundobloqueestárepresentadopor la memoriaRAM, memoria en la que,segúnel modelode computadorade John von Neumann,almacenalos datosy los programasde aplicacionesdel usuario.El tercerbloqueestá formado por los puertosde entraday salida,puertosque permitenla comunicacióndel microprocesadorcon el restode la electrónica,tantode la computadora(teclado, mouse,pantalla,discoduro,etc.)comode loscircuitosexternos. El siguientediagramamuestralos principalesbloquesfuncionalesde un modelo generaldecomputadora. Pág.48 EL ASC DE LA MECATRÓNICA E/S Procesador Entrada Salida Memoria Instruccionesde programa y Datos Control ARQUITECTURA DE MICROPROCESADORES Enjuniode 1978la compañíaIntellanzóal mercadoel primermicroprocesadorde 16bits,al que llamó8086.Un añomástardelanzóel 8088,que internamenteera igualque el 8086peroque tenía un bus externode datosde 8 bits. En 1981la compañíaIBM empezóa venderel desarrollomás notablepara esta familiade microprocesadores:lacomputadorapersonallBM. La arquitecturadel 8086/8088es consideradacomo la base, inclusivede los microprocesadoresqueactualmentese comercializan,porloquesu estudiopuede serunaclaradescripciónde losmicroprocesadores. Desde luego que hay otras marcas y otras arquitecturas válidas de microprocesadores,pero con base al volumende ventas reportadas,será la arquitecturaIA-16laquese considereen estelibro.Las arquitecturaIA-32e IA-64 operanbajolos mismosconceptos,sólo queel tamañode la palabraes diferente al igual que el númerode instruccionesdisponibles,instruccionesenfocadasa multimedia,comunicacionesy seguridad. El 8086es un microprocesadorde 16 bits,pudiendodividirsu estructuraen dos bloques:la unidadde ejecucióny la unidadde interfaz.La unidadde ejecuciónes laencargadade realizartodaslas operaciones,mientrasque la unidadde interfaz del bus es la encargadade comunicaciónde datos e instruccionesal mundo exterior. Esta divisióntieneventajasy ahorrosen el diseñode una interfazde 32, 16 u 8 bits.Se muestraunarepresentaciónen lasiguientefigura. Pág.49 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Registrosdeusogeneral 15 87 O AH Al AX BH Bl BX CH Cl CX OH Ol OX- SP BP SI DI Bus interno 16bb Unidadde ejecución Busdedirecciones (20bb) LOGICA DE CONTROL DEL BUS Buses eICternos 12.1 I O es OS ES SS IP Rf:Gm'ROSDE COMUNICACION INI'ERNA . . , SistelMde conbolde la unidadde eiecución Colade instrucciones .- - - - - - - -. . . I . Unidadde inteñaz Para fines prácticos,el modelode microprocesadorque nos interesaes aún más simple,ya quesóloconsideraremoslos registroslógicosquese van a programar. Este modelo se basa en cuatro grupos: registrosde propósito general, de segmentodedatos,debanderasy el apuntadorde instrucciones. En los registrosde propósitogeneralse manipulanlos datos,los bytes, segúnlos comandosdelprogramay se puedencomparara lasvariablesquese usanen los lenguajesdealtonivel. Los registrosde segmentosmarcanla direcciónen memoriadel segmentode datos,el de códigoy el de lapila.El segmentode datosse refierea la localidaden memoriadondese almacenanlos datosque manipulael programa.El segmento Pág.50 EL ASC DELA MECATRÓNICA de código se refierea las localidadesen memoriadonde se almacenanlas instrucciones,los comandos,del programa.El segmentode pila se refierea las localidadesen memoriadondese almacenanlos datosde la pilaa travésde las instruccionesPUSHyPOPo El registrode banderas lleva un control sobre los resultadosde todas las operacionesquese realizan.Estos resultados,en términosde bits,puedenindicar unvalorcero,unbitdeparidad,uncambiodesigno,unbitacarreo,etc. El apuntadorde instruccioneses el contadorcon la direcciónen memoriade la siguienteinstruccióna ejecutar,registroquellevala unidaddecontrol. El modelológicodelmicroprocesadores el siguiente: Pág.51 Registros depropósitogeneral 15 O AX BX ex DX SI DI BP SP Registrosdesegmentos 15 O es DS SS ES FS GS Registrodebanderas 31 O BANDERAS 31 ApuntadordeinstruccionesO IP EL ASC DE LA MECATRONICA Los registrosde propósitogeneralse puedenutilizarsecomofuenteo destinoen operacionesaritméticasy lógicas y tambiénpueden tener algunas funciones determinadas por el conjunto de instrucciones del microprocesador.A continuaciónse ofreceunabreveexplicación: · AX =Registroacumulador,divididoenAH yAL (8b itscadauno). Es un registrosugerido para almacenarel resultadode las operaciones realizadas.Hay instruccionescomo IN y OUT, que son instruccionesde comunicacióna puertos,quetrabajanconAX o con uno de sus dos bytes (AH o AL). También se utiliza este registro (junto con DX a veces) en multiplicacionesy divisiones. · BX =Registrobase,divididoen BH y BL. Es el registrobase de propósitopara direccionamientode memoriaen sus diferentesformatos · CX =Registrocontador,divididoen CH y CL. Se utilizacomocontadoren la instrucciónLOOP, en operacionescon cadenas y en desplazamientosy rotaciones · DX=Registrodedatos,divididoen DHy DL. Se utilizajunto con el registroAX en multiplicacionesy divisiones,en la instrucción IN y OUT paradireccionamientoindirectode puertos(el registro DX indicael númerode puertodeentrada/salida). · SP =Apuntadordepila(nose puedesubdividir). Aunquees un registrode usogeneral,debeutilizarsesólo comoapuntadorde pila,la cualsirveparaalmacenarlasdireccionesde retornode subrutinasy los datos temporarios(mediantelas instruccionesPUSH y POP). Al introducir (push)unvaloren la pilaa esteregistrose le restados,mientrasqueal extraer (pop)unvalorde la pilaestea registrose lesumados. · BP =Apuntadorbase(nose puedesubdividir). Generalmentese utilizapara realizardireccionamientoindirectodentrode la pila. · SI =Apuntadoríndice(nose puedesubdividir). Sirvecomoapuntadorfuenteparalasoperacionesconcadenas.Tambiénsirve pararealizardireccionamientoindirecto. · DI =Apuntadordestino(nose puedesubdividir). Sirve como apuntadordestinopara las operacionescon cadenas.También sirvepararealizardireccionamientoindirecto. Respectoal registrode banderas,éstees una seriede indicadoresdel resultado de lasoperaciones.Las másusadasson: Pág.52 EL ASC DE LA MECATRÓNICA CF (CarryFlag, bit O):Si vale 1, indicaque hubo"acarreo"(en caso de suma) hacia,o "préstamo"(encasode resta)desdeel bitde ordenmássignificativodel resultado.Esta banderaes usadapor instruccionesquesumano restannúmeros que ocupanvariosbytes.Las instruccionesde rotaciónpuedenaislarun bitde la memoriao de unregistroponiéndoloenelCF. PF (ParityFlag, bit 2): Si vale uno, el resultadotieneparidadpar,es decir,un númeropar de bitsa 1. Esta banderase puedeutilizarparadetectarerroresen transmisiones. AF (AuxiliarycarryFlag, bit4): Si vale 1, indicaque hubo"acarreo"o "préstamo" del nibble (cuatro bits) menos significativoal nibble más significativo.Este indicadorse usaconlas instruccionesde ajustedecimal. ZF (ZeroFlag,bit6):Si esteindicadorvale1,el resultadode laoperaciónes cero. SF (Sign Flag, bit 7): Refleja el bit más significativodel resultado.Como los númerosnegativosse representanen la notaciónde complementoa dos,estebit representael signo:Osi es positivo,1si es negativo. TF (TrapFlag,bit8): Si vale 1, el procesadorestá en modopasoa paso.En este modo,la CPU automáticamentegeneraunainterrupcióninternadespuésde cada instrucción,permitiendoinspeccionarlos resultadosdelprogramaa medidaquese ejecutainstrucciónporinstrucción. IF (InterruptFlag, bit 9): Si vale 1, la CPU reconocepedidosde interrupción externasenmascarables(por el pin INTR). Si vale O, no se reconocentales interrupciones.Las interrupcionesno enmascarablesy las internassiemprese reconocenindependientementedelvalorde IF. DF (DirectionFlag,bit10):Si vale1, las instruccionescon cadenassufrirán"auto- decremento",estoes, se procesaránlascadenasdesdelas direccionesmásaltas de memoriahacialas másbajas.Si valeO,habrá"auto-incremento",lo quequiere decirquelascadenasse procesaránde"izquierdaa derecha". OF (Overflowflag, bit 11):Si vale 1, huboun desbordamientoen una operación aritméticacon signo, esto es, un dígitosignificativose perdiódebido a que el tamañodelresultadoes mayorqueeltamañodeldestino. Pág.53 EL ASC DE LA MECATRÓNICA MEMORIA RAM Este modelológicodel microprocesadorinteractúacon la memoriaRAM (random accessmemory=memoriade accesoaleatorio),la cual se puedeentendercomo la memoriade trabajoen la quese encuentrantodoslos datos,tantoel códigodel programacomolosdatosde laaplicaciónencuestión. La memoriaRAM puedeser deltipoestáticao dinámica,lo que es definidoporel diseñotécnico.En lo quese refiereal usoentreunay otraes transparenteparael usuario,aunque las memoriasdinámicasson más baratas, consumenmenos energía,puedenser de tamañofísico menory conteneruna mayorcantidadde memoria.Sus desventajas,en comparacióna las estáticas,son más lentasy requierende circuitosadicionalespara generarla señal de refresco.Las dos clasesde memoriason volátiles,lo quesignificaquesu contenidose pierdesi se apagalafuentede energía. Los sistemasmodernoscontienepocamemoriaRAM estáticoque se empleaen las partesdeaccesodegranvelocidadcomoes el casode la memoriacaché. La memoriase puedemodelarcomounapilade registrosde memoriade 8 bits,es decir,de unbyte.Estapiladebytesse numeradelOhastael finalde la capacidad de la memoria.En el casodelmicroprocesador8086,el bus de direccioneses de 16 bits, por lo que la capacidadmáximadel bloque de direccionamientode memoriaes de64KByte(65,536bytes). Byten Celdas individuales de memoria Registros de direcciones dememoria (MAR) ByteO Registrosde datosde memoria(MOR) El registrode direccionesde memoriacontienela direcciónque debe accesarse para obtener cadauno de los datos. El registro de direcciones de memoria está conectadoa un decodificadorque interpretala direccióny la activapara su uso, tanto de lecturacomo de escritura.Los grupos de celdas de bits, los bytes, contienenuna línea independiente,lo que determinalos n elementosde la memoria,estableciéndoseel númerototalconla ecuación2" líneas. El registro de datos de memoriaestá diseñado de modo que se conecta adecuadamentea todaslasceldasen la unidadde memoria.Todossus bitsestán conectadosal circuitode lecturaque garantizaque sólo un grupode celdasse activaen unmomentodeterminado. Pág.54 7 6 5 4 3 2 1 O 7 6 5 4 3 2 1 O .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 7 6 5 4 3 2 1 O 7 6 5 4 3 2 1 O EL ASC DELA MECATRÓNICA Debidoa queel 8086es unmicroprocesadorcon unbusdedatosy dedirecciones de 16 bits, el máximobloque de direccionesde memoriaque puede leer simultáneamentees de 64K8ytes(65,536bytes).Para que puedaleerun bloque de memoriade 1 M8yte (1,048,576bytes),se necesitandefinir16 bloquesde 64K8ytes. Para implementaresta idea,lasdireccionesfísicasde memoriase representanen un formatológicoy así podertrabajarcon ellas. De esta manera,la memoriase representacon dos bloques:el primerocon unadirecciónque indicael origendel segmentomás una segundadirecciónque sería la serie de direccionesque indicanel desplazamientosobreelorigen. El formatogeneralseríade la forma1000:0000,dondelos4 dígitosde la izquierda marcanel origende los 16bloquesdiferentesy los4 dígitosde laderechamarcan eldesplazamiento,siendoexpresadosiempreen númeroshexadecimales. Por ejemplo,la direcciónlógica1234:4321tieneuna direcciónfísica en la pilade bytes de memoriade 16661H, lo cualse obtieneal rotara la izquierdacuatrobits el númerosegmento(equivalentea un dígito)y luego sumándoleel valor del desplazamiento. 1234:4321 12340 + 4321 --------- 16661 Esto implicaque hay muchasformasde expresaren formatológico la misma dirección física. La dirección 1234:4321también podría ser 1666:0001ó 1665:0011ó 1664:0021,etc. Una segundaconsideraciónque hayque tomaren cuentaes la formay posición en la que se almacenanlos datos. Como la memoriaes una pila de bytes y algunosnúmerospuedenser de 16o 32 bits,el datocompletosiempreva a estar endireccionesadyacentes,solamentequees enordeninverso. Para unapalabra(16bits)laescrituraes de la siguienteforma: Orden ascendente [81 I 9C I E6 Palabra E69CH Para unapalabradoble(32bits)laescrituraes de la siguienteforma: Orden ascendente [81 I 4A I 58 I 00 12 Palabradoble12005B4AH Pág.55 EL ASC DE LA MECATRÓNICA PUERTOS Independientementede las capacidadesy potenciadel microprocesador,de su facilidadparatrabajarcon la memoriaRAM y deltamañode la mismamemoria,la verdaderautilidadde una computadoraradicaen sus capacidadesde entraday salida.Estasentradasy salidasson la formade comunicaciónquese tienecon el mundoexteriory sin ellasno habríadispositivosperiféricosa travésde los cuales hacemosusode lascomputadoras. El teclado,el mouse,la pantalla,la impresora,el escáner,las memoriasUSB, el disco duro,etc.,son ejemplosde dispositivosperiféricos,los cualesse clasifican en dispositivosdeentraday salida,segúnel flujode informacióna travésdeellos. Los requisitosdecadadispositivodeentrada/salida,considerandola necesidadde ofrecer dispositivoscon capacidadde direccionamiento,de sincronización,de estadoy de controlexterno,indicanlasnormasestablecidasparapoderacoplarlos a las computadorasa travésde móduloso circuitoselectrónicoscon funciones definidasy estosa su vezse comunicaráncon los microprocesadoresa travésde direccioneso puertosperfectamentedefinidos. Los puertosson las 'puertas'pordondelos datosvan a entrara los registrosdel microprocesadorparaser procesadosy posteriormentesalirparaser devueltosal dispositivoperiféricocorrespondiente. En la práctica, es claro que muchos dispositivos estarán conectados al microprocesador,por lo que se debe tener la capacidad de reconocerlos individualmente.Para esto, las computadorasactuales tienen 65,536 puertos diferentesparaorganizarel flujode informaciónentreellos. Al igualque con las memoria,el accesoa los periféricos,se realizaa travésde registrosde datosy direcciones,que funcionanen formasimilaral MAR y MDR comentadosen el acceso a memoriaRAM. Así, el microprocesadortiene que indicarsi la direcciónsolicitadaes a una direcciónde memoriao a una dirección de puertode E/S. Pág.56 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Capítulo1lenguajeensamblador Pág.57 EL ASC DE LA MECATRÓNICA lenguajeensambladar DEFINICiÓN Los lenguajesde programaciónson la herramientacon quese cuentaparaindicar a las computadorasla secuenciade instruccioneso comandospara realizarlas diferentesfuncionesquedesarrollan. Estos lenguajes tienen diferentescaracterísticassegún el nivel en el que interactúancon la computadora.El nivel más bajo de programaciónes tratar directamenteconel microprocesador,el cualtrabajaen códigobinario.El lenguaje ensambladores la codificaciónquepermitetrabajara estenivelde programación. Las instruccionesescritasen códigobinariose conocencon el nombrede código de máquina.Escribirprogramasen estecódigoes un pocotediosoy requierede habilidadesespeciales.El lenguajeensambladores unacodificaciónespecialque permiteagruparen comandoscortosy conciertosentidoestecódigode máquina. Esta codificaciónes la que formael lenguajeensambladory a cada comando tambiénse le llamamnemónico. Escribir un programautilizandomnemónicoses más sencilloque el código de máquinaporque son una versión abreviadade la operaciónque realiza una instrucción.También,dado que las instruccionesdescriben las operacionesdel programa,se facilita su comprensióny se reduce la posibilidadde cometer errores.Sin embargo,esta listade comandostodavíatiene que convertirseen códigode máquinaya quees el formatoreconocidoporel microprocesador.Para estaconversiónhaydos programasque se usancon muchafrecuenciay que se conocencomocompiladoresparalenguajeensamblador. El primerprogramaes de grandescapacidadesy queofreceunagranvariedadde opcionesllamadoMASM (MacroAssembler,de Microsoft)y el segundoes utilizar un debuggerincluidoen todas las computadorascon sistemaoperativoMicrosoft (DOS o Windows),por lo que lo haceque esté al alcancede todos los usuarios quetengancomputadorasconestascaracterísticas. El programase llamaDEBUG y es un compiladorbasado en una arquitectura IA-16como la del microprocesador8086.Algunascaracterísticasimportantesde este programaes que puedecreararchivoscon extensión.COM,lo que permite creararchivosejecutablesporel sistemaoperativoy porlo mismocreararchivode un tamañomáximode 64KBytes.Tambiéntienela característicade que iniciael segmentode codificacióndel programaen la localidad100Hde desplazamientoa partirdelsegmentodecódigoindicadoenel registroCS. Debidoa las característicasanteriores,el programaDebugserá la herramienta quese usaráen lacodificacióndel lenguajeensamblador. Pág.58 EL ASC DE LA MECATRÓNICA INTRODUCCiÓN AL PROGRAMA DEBUG Debuges una formafácil de empezara tenercontactocon el ha.rowarede la computadora.Este programa muestra el contenido de los registros del microprocesador,los registrosde la memoriaRAM, las instruccionesescritasen losarchivoscon programasejecutablesy tambiénprogramarpequeñasrutinasen ensambladorparatrabajardirectamentecon el microprocesadoro a travésde las funcionesdelBiaS (BasicInputOutputSystem). Generalmente, el programa Debug se encuentre en la carpeta C:\Windows\Command,y podemosagruparsus funcionesde la siguienteforma: · Ensamblarpequeñosprogramas · Verel códigofuentedepequeñosprogramascon su códigode máquina · Verel registrode banderasdelmicroprocesador · Ejecutarpaso a paso las instruccionesde un programapara ver como cambianlosvaloresde los registrosy memoria · Modificaro insertarnuevosvaloresen la memoriaRAM · Buscarvaloresbinarioso ASCII en la memoriaRAM · Moverbloquesde memoriade unadireccióna otra · Llenarbloquesdememoriaconciertosvalores · Leero escribirsectoresde losdiscosdel sistema 11 Para iniciarunasesióndelprograma,hayqueabrirunaventanaDOS, en ocasiones definidacomo 'Símbolo del sistema'y después escribir el comandodebug. Los comandosdel Debugse puedendesplegaren la pantallacon el comandode ayuda'?' y se puedenclasificarencuatrocategorías 1. Creacióny lecturadeprogramas A Ensamblarunprogramausandomnemónicos G Ejecutarunprogramaescritoen memoria R Mostrarel contenidode los registrosdelmicroprocesador P Avanzarunprocedimientoo loop Pág.59 EL ASC DE LA MECATRÓNICA T Avanzarunainstruccióna lavez U Desensamblarenmnemónicosunprogramaescritoen memoria 2. Manipulaciónde memoria C Comparados rangosdememoria D Mostrarel contenidode lamemoria E Editarregistrosde memoria F Llenarunrangode memoriaconvaloresdefinidos M Moverunrangode memoriadeunadireccióna otra S Buscarunvalordefinidoenunrangode memoria 3. Misceláneas H Realizarunsumao restahexadecimal Q SalirdelprogramaDebugy regresaralDOS 4. Entrada- Salida I Leerunbytedesdeunpuerto O Escribirunbytea unpuerto L Cargaren memoriadatosdeldisco W Escribirdatosaldisco N NombrarunarchivoparaloscomandosL y W Al iniciarlasesióndelprograma,lossiguientesvaloresquedandefinidos 1. Todos los segmentosde datos se fijan en la parte inferiorde la memoria disponible,justoarribadelprogramadebug.exe 2. El apuntadorde instrucciones(IP) se estableceen0100H 3. Debugreserva256 bytes para la Pila en la partesuperiordel segmentode memoria 4. Se reservan64KBytesde memoria 5. En caso de iniciarel Debugcargandoun programaen memoria,los registros BX:CXcontienenel tamañodelarchivo 6. El registrodebanderasse definede lasiguienteforma: NV banderaoverflow=O UP banderadedirección=up El Interrupciónhabilitada PL banderade signo=positivo NZ banderacero=O NA banderaauxiliardeacarreo=O PO paridadnon NC banderade acarreo=O Pág.60 EL ASC DE LA MECATRÓNICA ESTRUCTURA DEL LENGUAJE ENSAMBLADOR En el lenguajeensambladorlas líneas de código,en su formatomás simple, constan de dos partes, la primeraes el nombre de la instrucciónllamado OperatíanCade y la segundason los parámetrosdel comando,los cuales se presentanenel formatode primeroel destinoy despuéselorigen: comando ADD destino,origen AX, 1234 Aquí ADD es el comandoque se va a ejecutar,suma, AX es el registrodestino dondeva a quedarel resultadoy tambiénel primervalora operary 1234es el segundovalorquese vaa operar. El nombre de las instrucciones,mnemónicoso códigos de operación,están formados por dos, tres o cuatro letras. Algunos comandos no requieren parámetrosy otrossolamenterequierenuno. Para poder indicarque el valor a operaro que se va a asignara un registro provienede unalocalidadde memoria,se usaránloscorchetesparasu notación ADD AX, [1234] Para crearel primerprogramay empezara ilustrarel proceso,a continuaciónse presentaunprogramaquesumadosvalores. El primerpasoes iniciarel programaDebug. Para ensamblarun programase utilizael comando"A".En formapredeterminada se asignarála localidad100Hcomode iniciodelprograma. -A ~ Al hacer esto apareceráen la pantallala direcciónen memoriaen formatode CS:0100,quepodríaseralgocomo OCFC:0100 _ Donde los cuatrodígitos hexadecimalesdel lado izquierdopuedenvariary los cuatrodígitosdel lado derechodebenser 0100 hexadecimal.A continuaciónse escribenlassiguientesinstrucciones OCFO:0100mov ax,5 OCFO:0103mov bx,2 OFCO:0106add ax,bx OFCO:0108hit Almacenael valor5 enAX Almacenaelvalor2 en BX Sumael valorde BX aAX Detienela ejecución Pág.61 EL ASC DE LA MECATRÓNICA Para regresaralpromptdel Debugse oprimela teclaEntero Returnrepresentada porel símbolo~ Para ejecutarel programase utilizael comandoG indicandoel origeny el fin de las localidadesde memoriausados, lo que permitiráque el programatermine mostrandoel valor de los registrosy podamoscomprobarel resultadode la funciónprogramada. - G=100108~ AX=0007 BX=0002 CX=0000 DX=0000 SP=FFEE BP=0000 SI=0000 DI=0000 DS=0CFC ES=0CFC SS=0CFC CS=0CFC IP=0108 HU UP El PL HZ HA PO HC 0CFC:0108F4 HLJ PROGRAMACiÓN Programaren lenguajeensambladornoes muycomún,yaquepuederesultarmuy complejoen rutinasmuy largas,Aún así, tiene ventajas que conviene tener presentey usarlasadecuadamente. · Algunasveceslas rutinasescritasen ensambladorpuedenser másrápidas encomparacióna lascreadasporel compilador.
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