Tecnologías Esenciales en Sistemas Embebidos y Control Industrial

Componentes Electrónicos Clave

FPGA (Field-Programmable Gate Array)

Los FPGA son dispositivos lógicos reconfigurables que consisten en una matriz de bloques lógicos programables interconectados mediante una red de enrutamiento programable. Ofrecen flexibilidad y rendimiento, ya que permiten a los diseñadores implementar circuitos digitales personalizados directamente en el hardware.

Características:

• Ejecutan múltiples tareas a la vez a alta velocidad.
• Baja latencia.

Aplicaciones:

• Procesamiento de señales digitales.
• Comunicación de alta velocidad.
• Visión artificial.

Microprocesadores

Los microprocesadores son circuitos integrados que contienen la Unidad Central de Procesamiento (CPU) de un ordenador. Están diseñados para ejecutar una gran variedad de instrucciones de software.

Características:

• Flexibilidad de programación.
• Compatibles con una amplia gama de sistemas operativos.

Aplicaciones:

• Ordenadores.
• Servidores.
• Dispositivos móviles.

Microcontroladores

Los microcontroladores son sistemas en chip que integran un microprocesador, memoria, periféricos de entrada/salida y demás componentes en un solo dispositivo. Ofrecen bajo consumo de energía y tamaño compacto.

Características:

• Fáciles de usar y programar.
• Ofrecen una amplia gama de puertos de comunicación, temporizadores y convertidores.
• Diseño sencillo y más económicos.

Aplicaciones:

• Electrodomésticos.
• Dispositivos médicos.
• Sensores.

Actuadores y su Integración

Tipos de Actuadores

Los actuadores son dispositivos que convierten la energía en movimiento mecánico para realizar una acción física.

1. Actuadores Eléctricos

Dispositivos que convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico. Son utilizados en diversas aplicaciones por su precisión, facilidad de control y eficiencia.

• a) Motores: Los motores eléctricos son los actuadores más versátiles y utilizados.
• b) Solenoides: Son actuadores que convierten la energía eléctrica en movimiento lineal, generando un campo magnético a partir de una corriente eléctrica.
• c) Relés: Interruptores electromagnéticos que permiten controlar circuitos de alta potencia mediante una señal de baja potencia, utilizados en control industrial y automatización.
• d) Actuadores Piezoeléctricos: Dispositivos que convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico preciso y controlado. Destacan por su alta precisión, respuesta rápida y bajo consumo.

2. Actuadores Neumáticos

Convierten la energía almacenada en el aire comprimido en movimiento mecánico. Muy utilizados en la industria por su robustez, simplicidad, bajo coste y seguridad.

• a) Cilindros Neumáticos

3. Actuadores Hidráulicos

Dispositivos que convierten la energía almacenada en fluido hidráulico en movimiento mecánico. Destacan por su alta potencia, precisión y capacidad para manejar cargas pesadas (motores y cilindros hidráulicos).

Criterios de Selección de Actuadores

La elección del actuador adecuado depende de varios factores clave:

1. Fuerza y Potencia: La fuerza y potencia requeridas para realizar la acción son factores importantes.
2. Precisión y Resolución: Necesidad de un control preciso del movimiento.
3. Velocidad de Respuesta: Importante para aplicaciones que requieren una respuesta rápida.
4. Tamaño y Peso: Limitaciones de espacio y masa en la aplicación.
5. Coste: Factor económico importante en el diseño del sistema.
6. Condiciones Ambientales: Entorno en el que operará el actuador (temperatura, humedad, vibraciones, etc.).
7. Fuente de Energía: Disponibilidad y tipo de energía (eléctrica, neumática, hidráulica).
8. Vida Útil y Mantenimiento: Durabilidad y requisitos de mantenimiento del actuador.
9. Compatibilidad con el Sistema de Control: Facilidad de integración con el sistema de control de la aplicación.

Integración de Actuadores en Sistemas Embebidos

La integración de actuadores en sistemas embebidos requiere una planificación cuidadosa tanto a nivel de hardware como de software.

1. Diseño de Hardware

• Selección de Componentes: Asegurar la compatibilidad y el rendimiento óptimo del sistema.
• Diseño de Placa de Circuito Impreso (PCB): Considerar la conexión de los componentes, la gestión de energía y la disipación de calor.
• Conexiones y Cableado: Garantizar conexiones fiables y seguras para evitar fallos.

2. Desarrollo de Software

• Programación del Microcontrolador o FPGA: Programar para controlar los actuadores de acuerdo a las señales de entrada del sistema de control.
• Bibliotecas y Controladores: Utilizar las bibliotecas de software y controladores proporcionados por los fabricantes para simplificar la programación.
• Manejo de Interrupciones y Eventos: Implementar mecanismos para responder a eventos externos de manera eficiente.
• Diagnóstico y Detección de Fallos: El sistema debe incluir funcionalidades para detectar y diagnosticar posibles fallos en los actuadores o en el control.

3. Consideraciones Adicionales

• Consumo de Energía: Optimizar el consumo para aplicaciones con restricciones de batería o eficiencia energética.
• Seguridad: Implementar medidas de seguridad para proteger tanto el sistema como a los usuarios.
• Escalabilidad: Diseñar el sistema para permitir futuras expansiones o modificaciones.

Procesamiento de Señales y Comunicación

Técnicas de Acondicionamiento de Señales

El acondicionamiento es un proceso crucial para preparar las señales de los sensores antes de su conversión a digital o su conexión directa al microcontrolador. Las técnicas más comunes incluyen:

1. Amplificación: Las señales de los sensores son a menudo débiles y necesitan ser amplificadas para alcanzar un nivel adecuado para el ADC o microcontrolador.
2. Filtrado: Las señales pueden estar contaminadas por ruido; se utilizan filtros analógicos o digitales para eliminar o atenuar estas interferencias no deseadas.
3. Atenuación: Las señales de los sensores pueden ser demasiado fuertes y necesitan ser atenuadas para evitar daños en el ADC o microcontrolador.
4. Desplazamiento de Nivel (Offset): Se utilizan circuitos de desplazamiento de nivel para ajustar el nivel de DC de la señal y garantizar que esté dentro del rango de entrada del ADC o microcontrolador.

Conversión Analógico-Digital (ADC)

La conversión analógico-digital es el proceso de transformar una señal analógica continua en una representación digital discreta. El ADC muestrea la señal analógica a intervalos regulares y asigna un valor digital a cada muestra.

Parámetros a considerar:

1. Resolución: Determina el número de bits utilizados para representar cada muestra digital; a mayor resolución, mayor precisión de medida.
2. Velocidad de Muestreo: Frecuencia con la que se toman muestras de la señal analógica. Una velocidad de muestreo adecuada es crucial para capturar fielmente la señal original.
3. Precisión: Cuán cerca está el valor digital convertido del valor real de la señal analógica, influenciada por el ruido y la estabilidad del ADC.

Protocolos de Comunicación

Los protocolos de comunicación son conjuntos de reglas que permiten a los dispositivos electrónicos intercambiar datos de manera efectiva.

A) I2C (Inter-Integrated Circuit)

Protocolo de comunicación serie síncrono ampliamente utilizado para conectar dispositivos de baja velocidad en circuitos electrónicos.

Características:

• Bus bidireccional de dos hilos (SDA para datos, SCL para reloj).
• Comunicación maestro-esclavo: un maestro controla la comunicación y varios dispositivos esclavos se conectan al mismo bus.
• Velocidades de transmisión comunes: 100 kbps (modo estándar), 400 kbps (modo rápido).

Ventajas:

• Requiere solo 2 hilos, lo que simplifica el cableado y reduce el número de pines del microcontrolador.
• Admite múltiples dispositivos en el mismo bus con direcciones únicas.

Desventajas:

• Velocidad de transmisión limitada en comparación con otros protocolos.
• Susceptible a interferencias y problemas de sincronización en entornos ruidosos.
• Puede presentar complejidad en la implementación de hardware y software para sistemas grandes.

Aplicaciones:

• Sensores de temperatura, humedad, presión.
• EEPROM y otras memorias.
• Control de pantallas LCD.

B) SPI (Serial Peripheral Interface)

Protocolo de comunicación serie síncrono ampliamente utilizado para conectar microcontroladores con periféricos como sensores, memorias y convertidores analógico-digitales.

Características:

• Bus síncrono de 4 hilos (MOSI, MISO, SCLK, CS/SS).
• Comunicación maestro-esclavo: un maestro controla la comunicación y puede comunicarse con múltiples dispositivos esclavos.
• Permite recepción y transmisión de datos simultánea (full-duplex).
• Velocidades de transmisión variables y generalmente más altas que I2C.

Ventajas:

• Alta velocidad de transmisión.
• Comunicación full-duplex.
• Implementación sencilla de hardware y software para conexiones punto a punto.

Desventajas:

• Requiere más hilos que I2C.
• Requiere una línea de selección de esclavo (CS) por cada dispositivo esclavo, lo que aumenta el número de pines necesarios para múltiples dispositivos.
• Susceptible a interferencias en cables largos.

Aplicaciones:

• Tarjetas SD.
• Pantallas TFT.
• Módulos de comunicación inalámbrica.

C) UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

Protocolo de comunicación asíncrono utilizado para conectar dispositivos electrónicos, como microcontroladores, computadoras y periféricos a través de una interfaz serie. Es simple, económico y fácil de implementar.

Características:

• Bus asíncrono de dos hilos (TX para transmisión, RX para recepción).
• Comunicación punto a punto.
• Velocidades de transmisión variables (baud rate).

Ventajas:

• Implementación simple y bajo coste.
• Amplia compatibilidad con dispositivos y sistemas.
• Ideal para comunicación a larga distancia a través de medios inalámbricos (con transceptores adecuados).

Desventajas:

• Limitado a comunicación punto a punto.
• Velocidad de transmisión generalmente baja en comparación con I2C o SPI.
• Requiere configuración cuidadosa de los parámetros de comunicación (velocidad de baudios, bits de datos, paridad, bits de parada) en ambos extremos.

Aplicaciones:

• Comunicación con PC (a través de USB-UART).
• Módulos GPS.
• Módulos Bluetooth.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

Los sistemas SCADA aportan soluciones de software y hardware diseñadas para supervisar y controlar procesos industriales a gran escala, como plantas industriales, sistemas de distribución de energía y redes de transporte. Los sistemas SCADA recopilan datos de sensores y equipos, los procesan y los muestran al operador a través de una interfaz gráfica de usuario (HMI). También permiten controlar equipos de forma remota y gestionar alarmas, facilitando la toma de decisiones y la optimización de operaciones.