2.5 Microprocesadores

Que es un microprocesador ? Es un circuito digital generalmente bastante complejo que
realiza procesamiento de datos, las operaciones que se llevan a cabo durante dicho procesamiento son controladas por lo que se denomina un programa, este último, es
el que le indica al microprocesador exactamente que es lo que tiene que hacer, por
ejemplo, leer un dato de un teclado y mandarlo a una pantalla de cristal liquido o
tomar dos valores de la memoria, sumarlos y poner este resultado en la misma.
Los microprocesadores han cambiaron la forma en las que se realizaban las operaciones
de tratamiento de información, y desde que aparecieron en los años 70 no han dejado de evolucionar, el primer microprocesador fue el 4004 desarrollado por Intel el cual era muy limitado pues sólo sumaba y restaba datos de 4 bits.

El 4004 fue el microprocesador que le dio vida a una de las primeras calculadoras electrónicas. Intel lanzo posteriormente, en 1971 el 8008, el que sería el primer microprocesador de 8 bits, luego en 1973 saca al mercado el 8080, microprocesador que se utilizaría en la construcción de las primeras computadoras para el hogar, el aspecto físico de este procesador se muestra en la figura . Unos años después, en 1978, Intel lanzó el famoso 8086 y un año y medio más tarde el 8088 con los cuales se puso en el mercado el IBM PC que apareció en 1982, con esto Intel estaría en la mayoría de computadores personales hasta llegar al Pentium IV que es ampliamente utilizado en los computadores de escritorio actuales
(2006).



Arquitectura:
Características de un sistema que son visibles por el programador e influyen de manera
directa en la forma en la que se ejecuta un programa.

Organización:
Las unidades funcionales y las interconexiones que existen entre ellos para realizar una
arquitectura



Arquitecturas. 
Las mas ampliamente difundidas son:

• Risc, Conjunto reducido de instrucciones. Son procesadores con instrucciones
simples y cortas, dando como resultado una gran velocidad de ejecución. Algunos
ejemplos de procesadores de este tipo son el 68000 de Motorola y las cpu's que
utilizan los microcontroladores PIC.

• Cisc, Conjunto completo de instrucciones. Procesadores complejos internamente,
con muchas instrucciones para el programador, haciéndolos muy flexibles al
programarlos. Ejemplos de estos son los de la familia Intel.


Los buses.
Imagine se necesita conectar la salida de un registro de datos a la entrada de dos registros
más, de tal modo que estos últimos puedan tomar los datos del primero, ¿de qué modo se
conectan dichos elementos? Ahora imagine cómo sería el proceso inverso, es decir, que
fuese necesario, que dos registros sean fuentes de datos de un tercero, esto es, si A,B y C
son registros, se desea que en un tiempo t0 el dato que hay en A se transfiera a C y
posteriormente en otro tiempo t1 el dato que hay en B sea trasferido a C, las dos
operaciones anteriores las denotaremos C<-A y C<-B respectivamente. Para realizar estas
transferencias entre registros, podemos optar por el uso de multiplexores.




Buses del sistema.
Como se había mencionado antes, en un sistema basado en procesador generalmente
aparecen los siguientes buses:

1. Bus de datos: Utilizado para que el microprocesador intercambie información con
otros elementos del sistema y en algunos casos entre dispositivos.

2. Bus de direcciones: Usado para indicar cuál es el elemento que con el que se
realizará la transferencia de datos.

3. Bus de control: Indica la dirección, tipo y otras características de la operación de
transferencia.

Para la explicación del funcionamiento de los buses de un sistema basado en procesador es
necesario tener claro como funcionan los elementos básicos de almacenamiento,  las
memorias

2.4 Modelado de sistemas básicos

Se define sistema como un conjunto de partes operativamente interrelacionadas, del que interesa considerar fundamentalmente su comportamiento global.

Límites de un sistema.

• Existen unos límites que separan el sistema del medio ambiente en el que está incluido. 

•  Los límites del sistema deben escogerse de tal manera que se incluyan en su interior aquéllos elementos necesarios para generar el  comportamiento que muestra el sistema.

• La selección de elementos pasa por estimar cuales son los que interactúan para producir el comportamiento a investigar (elementos interiores), excluyendo los que son irrelevantes (elementos exteriores).

Concepto de modelo.

• Todo el mundo emplea instintivamente modelos cuando toma decisiones sobre determinados aspectos de la realidad. 
• En el proceso de toma de decisión se elige una entre varias acciones posibles, teniendo en cuenta el efecto que cada acción vaya a producir.
• La relación que liga las posibles acciones con sus efectos es el modelo del sistema. Por lo tanto, en el proceso de toma de decisiones se está empleando un modelo del sistema.

Clases de modelos:

1. Modelo Mental 

Basado en el conocimiento que se tiene sobre un aspecto de la realidad adquirido a través de la experiencia e intuición , del cual se extraen aquellas características esenciales para representar el aspecto 

considerado. 

2.  Modelo Formal

Basado en las hipótesis empleadas en los modelos mentales, estableciendo a partir de ellas las relaciones formales que definen el comportamiento del aspecto de la realidad en cuestión. Utiliza la capacidad del computador, que aunque no es capaz de establecer las relaciones por si mismo, si está capacitado para desarrollar las consecuencias dinámicas de las interacciones del sistema que representa el modelo. 


Construcción de modelos.


Hay dos puntos de vista a la hora de establecer un modelo matemático de un sistema:

 I. Conductista:
La construcción del modelo se realiza a partir del procesamiento de datos históricos de la evolución del sistema. 
Se trata de ajustar un modelo previamente elaborado a los datos disponibles.No se pretende establecer la estructura interna del sistema, sino que se supone una estructura interna a prioridad que reproduzca el comportamiento observado del sistema. 


II. Estructuralista:
La construcción del modelo se  realiza siguiendo un análisis cuidadoso y detenido de los distintos elementos que intervienen en el sistema observado. 
De aquí se extrae la lógica interna del modelo que conduce a la obtención de la estructura, realizándose posteriormente un ajuste de los parámetros libres del modelo con los datos históricos.

 Fases en la construcción de modelos :

1. Fase de Conceptualización. 
2. Fase de Formulación. 
3. Fase de Evaluación.

La Fase de Conceptualización consiste en la obtención de una comprensión mental de un cierto fenómeno del mundo real:

•Obtención de información a través de la opinión de expertos y la literatura al respecto.
• Definición de aspectos del problema a resolver.
• Particularización del comportamiento dinámico del sistema mediante la estructura mas simple que lo genere
• Identificación de elementos del sistema, lo que llevará a establecer los límites del sistema.

La Fase de Formulación, trata de representar los elementos manejados en la fase anterior por medio de un lenguaje formal:

• Establecimiento de diagramas formales.
• Cálculo de ecuaciones dinámicas del modelo.
• Implementación en computador utilizando un lenguaje apropiado que procese el conjunto de ecuaciones dinámicas (SIMULINK, MODELICA,…).



La Fase de Evaluación consiste en el análisis del modelo así como su sometimiento a criterios de aceptabilidad:

• Ensayos mediante simulación de las hipótesis sobre las que se asienta el modelo y su consistencia.
• Análisis de sensibilidad para estudiar la dependencia de las conclusiones extraídas del modelo con las variaciones de los parámetros que aparecen en el mismo.



El proceso de construcción de un modelo no es lineal, pasándose en sucesivas etapas por modelos progresivamente mejorados de acuerdo con un cierto criterio de aceptabilidad.

Por lo tanto el proceso de modelado consta de dos etapas, 

• Etapa Inicial.
• Etapa de Perfeccionamiento. 

Las  sucesivas etapas consistirán en una eliminación progresiva de las hipótesis más simplificadoras de manera que el modelo se aproxime cada vez más a la realidad.




Normas básicas para la construcción de un modelo:

 1.- Para la construcción con éxito de un modelo es necesaria la descripción explícita del comportamiento dinámico, formada por el modo de referencia (graficos) , las hipótesis acerca de sus causas y los mecanismos básicos.
 2.- Las hipótesis dinámicas se obtienen a través de una exploración combinada del comportamiento histórico del sistema con estructuras simples de comportamiento conocido.
 3.- Los límites del sistema se deben elegir los suficientemente amplios para acoger los procesos que generen el comportamiento dinámico.
 4.- El objetivo del modelo no es predecir, sino ensayar las hipótesis dinámicas.
 5. El modelo inicial debe contener únicamente los mecanismos básicos que generen el modo de referencia.
 6.- Para reducir la complejidad del modelo debe procederse a restringir el número de detalles.

2.3 Sistemas de actuación.

Un  actuador corresponde a cualquier mecanismo que permita al efector ejecutar una 
acción. Ejemplos de actuadores robóticos son motores eléctricos (servomotores, de paso, de 
corriente continua, etc.), cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos.  


Motores.


Los motores generan el movimiento del robot según las ordenes dadas por la unidad de 
control. Los tipos de motores son: 

• Neumáticos (cilíndricos y motores) 
• Hidráulicos (cilíndricos y motores)  
• Eléctricos (motores DC, AC, Paso a Paso, ServoMotores) 

Propiedades importantes que se deben considerar: 

• Potencia. 
• Controlabilidad 
• Peso y volumen. 
• Precisión  
• Velocidad 
• Costo y mantenimiento

ACTUADORES NEUMÁTICOS. 

Los actuadores neumáticos tienen aire comprimido con el cual mueve el actuador.  

1. Cilindros: 

• Movimiento lineal de un émbolo debido a diferencia de presión. 
• Simple efecto y doble efecto. 
• Posicionamiento en los extremos y dificultad de posicionamiento continuo. 
• Funcionamiento simple y mantenimiento económico. 
• Repetitivilidad inferior a otros tipos de actuadores. 
• Adecuados para manipulación de piezas pequeñas.

  2. Motores rotativos.

• Ligeros y compactos 
• Arranque y parada muy rápidas 
• Velocidad y par variables. 
• Control simple. 
• Difícil control de posición. 

 3. Motores de aletas rotativas: 

•  Simples. 
•  Dispositivos reductores para aumentar el par.

4. Motores de pistones: 

•  Menor velocidad que los de aletas. 
•  Bajo nivel de vibración. 
•  Par elevado a bajas velocidades. 

Actuadores Hidráulicos. 

El actuador utiliza aire comprimido para permitir el movimiento. 

• Funcionamiento similar a los neumáticos 
• Grado compresibilidad del aceite muy inferior al del aire: mayor precisión. 
• Elevadas fuerzas y pares: Cargas de hasta 200Kg. 
• Mantenimiento no muy complejo. 
• Repetitivilidad entre (2.3 y 0.2 mm) 
• No presentan problemas de refrigeración. 
• Cilindros: Iguales a los neumáticos. 

Motores de aletas rotativas. 

• Elevado par de arranque y rendimiento (90%) 
• Relativamente económicos. 

Motores de Pistones: 

• Cilindrada variable. 
• Construcción compleja. 

ACTUADORES ELÉCTRICOS.

Los actuadores eléctricos son los mas utilizados en los robots industriales actuales: 

• Fáciles de controlar 
• Sencillos, pero de construcción delicada. 
• Precisos 
• Alta repetitivilidad 
• Más pesados que los neumáticos e hidráulicos a igualdad de potencia. 

Motores de corriente continua (DC) 

• Controlados por inducido 
• Controlados por excitación. 

Motores de corriente alterna (AC) 

• Síncronos 
• Asíncronos 

 Motores de corriente continua. 

Principio de funcionamiento:

• En una bobina cerrada, por la que circula corriente, sometida a un campo magnético se induce una fuerza que la hace girar. 
• Para mantener la rotación en el mismo sentido es necesario conmutar el sentido de la corriente. 
• El campo magnético se produce en el estator. 
• Las bobinas se encuentran en el rotor. 
• Control por inducido: campo magnético constante y corriente variable. 
• Control por excitación : campo magnético variable y corriente constante. 
• Entrada Tensión; Salida Velocidad. 

Motor de corriente alterna. 
Características: 

• Inductor en el rotor: imanes permanentes. 
• Inducido en estator: 3 devanados decalados 120° eléctricos y alimentados con un sistema trifásico de tensores. 
• Control de velocidad mediante variación de la frecuencia de la tensión de inducido convertidor de frecuencia o variador de velocidad. 
• Sensor de potencia continuo que detecta la posición del rotor. 
• No presentan problemas de mantenimiento ni de calentamiento. 
• Mayor potencia, a igual de peso, que los de corriente continua. 

 Motor paso a paso. 

Características:

• El rotor, con polarización magnética constante, gira para orientar sus polos con el estator. 
• La polaridad del estator es variable, controlada por trenes de pulsos. 
• Por cada pulso, el rotor gira un numero discreto de grados. 
• Aumento de la frecuencia de los pulsos progresivamente. 
• Ligeros y fiables. 
• Potencia y precisión bajas. 
• Giro de pinzas y mesas posicionadoras

2.2 Acondicionamiento de Señales

Cada aplicación de medida en la industria hace uso de múltiples sensores cuya salida eléctrica depende de factores varios como el rango de temperatura de trabajo, la frecuencia de respuesta, precisiones requeridas, etc. La mayoría de estos sensores necesita un sistema capaz de acondicionar la señal antes que esta sea registrada por un sistema de adquisición de datos.

El acondicionamiento de señal previo a la adquisición de los datos supone la linealización de la señal, el filtrado de la misma, la amplificación de la salida eléctrica, etc. Dependiendo del tipo de sensor en uso y de la tecnología del mismo deberemos enfocarnos en una u otra solución.

Procesos del acondicionamiento de señales

Los siguientes son algunos procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una señal:

1. Protección para evitar el daño al siguiente elemento, por ejemplo un microprocesador, como consecuencia de un alto voltaje una corriente elevados.

2. Convertir una señal a un tipo de señal adecuado.

3. Obtención del nivel adecuado de la señal.

4. Eliminación o reducción del ruido.Por ejemplo, utilizar filtros.

5. Manipulación de la señal, por ejemplo, convertir una variable en una función lineal.

El amplificador operacional.

Este es un amplificador de alta ganancia en cd, en general de 100 000 o más, y está disponible como circuito integrado en chips de silicio.

El amplificador inversor.

La siguiente figura muestra las conexiones de un amplificador cuando se utiliza como amplificador inversor.

Amplificador no inversor.

La salida se puede considerar como tomada de un circuito divisor de voltaje formada por una resistencia R1  conectada en serie con R2. El voltaje Vx es por lo tanto:

Amplificador diferencial.

Amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada.

Comparador.

Un comparador indica cuál de dos voltajes es mayor, y con este fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentación u otras opciones.

Errores de los amplificadores.

Los amplificadores operacionales  en la práctica no corresponden al elemento perfecto(ideal) descrito en las secciones anteriores. Un problema en especial importante relacionado con lo anterior es el voltaje de desvío.

2.1 Sensores y transductores

El término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Con frecuencia se utiliza el término transductor en vez de sensor.
Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado.Es decir, los sensores son transductores.Sin embargo, en un sistema de medición pueden utilizarse transductores además de SENSORES, en otras partes del sistema para convertir las señales de una forma dada en otra distinta.

 Terminología del funcionamiento

Los siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores, y con frecuencia,el de los sistemas de medición como un todo.

1. Rango y margen. El rango de un transductor define los límites entre los cuales pueden variar la entrada. El margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo.

2. Error. El error es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide.

                                                ERROR= Valor medido - Valor real

3. Exactitud. La exactitud es el grado hasta el cual el valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto. igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la exactitud de la calibración del transductor.

4. Sensibilidad. La sensibilidad es la relación que indica qué tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada.

Histéresis

5. Error por histéresis. Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o una reducción continuos. A este efecto se le conoce como histéresis.









6. Error por no linealidad. Para muchos transductores se supone que en su rango de funcionamiento la relación entre la entrada y la salida es lineal, es decir, la gráfica de la salida respecto a la entrada produce una linea recta. Sin embargo, son pocos los transductores en los que la relación anterior es realmente una línea recta; por ello, al suponer la existencia de esta linealidad se producen errores.

7. Repetibilidad/Reproducibilidad. Los términos repetibilidad y repoducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada.

8. Estabilidad. La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un período. Para describir el cambio en la salida que ocurre en ese tiempo, se utiliza el término deriva. Ésta se puede representar como un porcentaje del rango de salida total. El término deriva del cero se refiere a los cambios que se producen en la salida cuando la entrada es cero.

9. Banda/Tiempo muerto. La banda muerta o espacio muerto de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida.

10. Resolución. Cuando la entrada varía continuamente en todo el el rango, las señales de salida de algunos sensores pueden cambiar a pequeños intervalos. La resolución es el cambio mínimo del valor de la entrada capaz de producir un cambio observable en la salida.

11. Impedancia de salida. Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se vincula con circuito electrónico, es necesario conocer la impedancia de salida dado que ésta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito. Al incluir el sensor, el sistema con el que se conecta podría modificarse de manera considerable.

Características estáticas y dinámicas.

Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable. es decir, valores obtenidos una vez que el transductor se estabiliza después  de recibir cierta entrada, Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de la entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable.

1. Tiempo de respuesta. Es el tiempo que transcurre después de aplicar una entrada constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a determinado porcentaje, como 95% el valor de entrada.

2. Constante de tiempo. Es el 63.2% del tiempo de respuesta. La constante de tiempo es una medida de la inercia del sensor y de qué tan pronto reaccionará a los cambios en su entrada; cuanto mayor sea la constante de tiempo más lenta será su reacción ante una señal de entrada variable.

3.Tiempo de subida. Es el tiempo que requiere la salida para llegar a un porcentaje especificado de la salida en estado estable. Es común que el tiempo de subida se refiera al tiempo que tarda la salida en subir de 10% a 90% o 95% del valor en estado estable.

4. Tiempo de estabilización. Es el tiempo que tarda la salida en estabilizarse a un porcentaje de un valor determinado.

Desplazamiento, posición y proximidad.

Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia.Los sensores de proximidad son una modalidad de sensor de posición y determinan en que momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sensor.Los anteriores son  dispositivos cuyas salidas son, en esencia,del tipo todo o nada (encendido o  apagado).

Al elegir un sensor de desplazamiento, posición o proximidad, deberá tenerse en cuenta lo siguiente:

1. La magnitud del desplazamiento.

2. Si el desplazamiento es lineal o angular .

3. la resolución que necesita.

4. La exactitud que se necesita.

5. El material del que está hecho el objeto que se mide.

6. El costo.

Sensor potenciométrico

Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazar a lo largo de dicho elemento. Éste se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotacionales; dicho desplazamiento se convierte en una diferencia de                                                                                                                                      potencial.

Elemento con deformímetro.

El deformímetro de resistencia eléctrica es un alambre metálico, una cinta de papel metálico o una tira de material semiconductor en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuese una estampilla postal. Cuando se somete a un esfuerzo, la resistencia cambia, y el cambio de resistencia ΔR/R es proporcional al esfuerzo  ε, es decir:

                                                               ΔR/R= G ε

G  → es una constante de proporcionalidad, factor de calibración.

Sensores de neumáticos

Los sensores neumáticos utilizan aire comprimido, y el desplazamiento o la proximidad de un objeto se transforma es un cambio en la presión del aire.

Interruptores de proximidad.

Existen diversidades de interruptores que se activan por la presencia de un objeto, y sirven como sensor de proximidad, cuya salida corresponde al estado de encendido o apagado.

Un microinterruptor es un pequeño interruptor eléctrico que requiere un contacto físico y una pequeña fuerza de acción para cerrar los contactos.