La asignatura "Sistemas Electrónicos Digitales" aborda la implementación y validación de algoritmos de control y automatismos sobre sistemas digitales basados en microprocesador. Supóngase que el sistema de frenado ABS de un vehículo ha de programarse sobre un soporte digital. Es preciso generar el código que se ejecutará ---manual o automáticamente--- y validarlo ---depuración--- mediante herramientas adecuadas. La asignatura no presenta, dentro del plan de estudios, ningún prerrequisito para acceder a la misma. Sin embargo, su desarrollo está muy ligado con las siguientes asignaturas previas del "Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática", las cuales se recomienda cursar previamente:



- "Fundamentos de Informática" ---primer curso del grado---, puesto que sienta las bases de programación que se emplean en "Sistemas Electrónicos Digitales", y



- "Electrónica Digital" ---primer cuatrimestre del tercer curso---, en la que se tratan conceptos básicos ---unidad de información, sistemas binario y hexadecimal, memorias, buses, etc.--- sobre los que se sustenta la presente asignatura.



Por otra parte, "Sistemas Electrónicos Digitales" mantiene también relación con otras asignaturas obligatorias, todas del tercer curso del grado:



- "Informática Industrial", debido a que en ella se estudian distintas plataformas hardware y lenguajes de programación con los que implementar algoritmos de control en sistemas digitales.



- "Regulación Automática", puesto que los algoritmos de control diseñados en esta materia son los que posteriormente se implementarán en diversos sistemas electrónicos digitales para cerrar un lazo de control.



- "Instrumentación Electrónica", ya que aporta el conocimiento preciso en los ámbitos de la sensórica, las etapas acondicionadoras de señal y los sistemas de adquisición de datos, imprescindibles para garantizar el correcto funcionamiento de un sistema de control automático basado en sistemas electrónicos digitales.



Se desea hacer hincapié en el binomio “Regulación Automática” + “Sistemas Electrónicos Digitales”. Su continuidad en el tiempo ---se imparten en el primer y segundo cuatrimestres, respectivamente--- permite plantear y aplicar una metodología de diseño e implementación de controladores denominada Diseño Basado en Modelos ---Model-Based Design (MBD)---, utilizada en áreas de la ingeniería tan exigentes como la automoción o la industria aeroespacial. En la asignatura “Regulación Automática”, se forma al alumnado en el diseño y validación de controladores siguiendo los pasos sugeridos por el MDB y mediante el empleo de las herramientas adecuadas. Posteriormente, en parte de la asignatura “Sistemas Electrónicos Digitales” se desarrollan las tareas restantes del MDB, consistentes en la generación automática de código y su validación a través de las herramientas pertinentes. De esta forma, el alumnado será formado en el proceso de diseño e implementación de un controlador de principio a fin.



En lo concerniente a las asignaturas optativas que se imparten en el cuarto curso, "Sistemas Electrónicos Digitales" está íntimamente ligada a "Control Digital", cuyo objetivo principal es el de analizar y diseñar sistemas de control que operen nativamente en sistemas digitales.



Por último, en lo concerniente al ejercicio profesional, la asignatura está enfocada de modo que los egresados dispongan de las competencias necesarias para integrar, en el proceso industrial automático que así lo requiera, los sistemas electrónicos digitales que se precisen. Las áreas de actividad que se podrían considerar en este ámbito son las que siguen: implementación y programación de sistemas empotrados, programación de procesadores digitales de señal (DSPs), implementación de algoritmos de control, etc.

El objetivo de esta asignatura consiste en el estudio y diseño de sistemas electrónicos digitales basados en microcontrolador, así como en su aplicación al control de procesos industriales. Para la consecución de dicho objetivo, se establecen las siguientes competencias a adquirir:



- Conocer los fundamentos de los sistemas electrónicos digitales basados en microcontrolador, así como su aplicación en el ámbito del control de procesos industriales.



- Conocer de modo preciso un entorno de desarrollo, al objeto de posibilitar la programación en lenguaje de alto nivel (C), depuración y ejecución de los diseños digitales basados en microcontrolador.



- Integrar la información, obtenida de fuentes diversas, relativa a un proceso industrial a controlar, al objeto de deducir razonadamente las pautas básicas para la selección de un microcontrolador, así como para la implementación del hardware asociado al mismo.



- Aplicar el microcontrolador como bloque funcional para medida y control digital de variables, en lazo cerrado, en procesos industriales.

Con el propósito de abordar el estudio, diseño y aplicaciones de sistemas electrónicos digitales basados en microcontrolador, se establecen los siguientes temarios teórico y práctico:



TEMARIO TEÓRICO



Tema 0: Presentación de la Asignatura

Competencias específicas. Temarios teórico y práctico. Método de evaluación. Bibliografía recomendada. Justificación de los microcontroladores empleados en la asignatura.



Tema 1: Arquitectura de un Microcontrolador de 8 bits

Principales bloques funcionales y buses. Mapa de memoria RAM: área de propósito general y área de registros de función especial (SFR). Bancos de registros. Análisis del funcionamiento de la pila: puntero de la pila.



Tema 2: Dispositivos Básicos de Entrada/Salida

Puertos de entrada/salida digitales de propósito general. SFR asociados. Consideraciones de conexionado. Drivers de corriente. Ejemplo de semáforo básico. Entradas y salidas analógicas: conversiones A/D y D/A. SFR asociados. Ejemplo de conversión A/D.



Tema 3: Timers

Conceptos de temporizador y contador. Arquitectura general. Generación de la señal de reloj de la CPU. SFR asociados. Modos de funcionamiento. Ejemplo de temporización.



Tema 4: Interrupciones

Concepto. Canales de interrupción internos y externos. Circuito de reset. Habilitación, priorización y vectorización. SFR asociados. Ejemplo con interrupción interna: alarma doméstica. Ejemplo con interrupciones interna y externa: lavadora.





TEMARIO PRÁCTICO



Práctica 1: Introducción al entorno de desarrollo y a la programación en C del microcontrolador 80C552

Edición. Compilación y enlazado. Simulación y depuración (debugging). Tipos de datos. Recordatorio de los principales operadores y estructuras de programación del lenguaje C. Ejercicios básicos y empleo de máscaras. Ejercicios.



Práctica 2: Programación de diversas variantes de semáforo

Entradas/Salidas digitales. Simulación y depuración. Conexionado del hardware y ejecución sobre el target seleccionado.



Práctica 3: Programación de un rótulo luminoso

Gestión de tablas. Simulación y depuración. Conexionado del hardware y ejecución sobre el target seleccionado.



Práctica 4: Proyecto de control de la posición angular del eje de un servomotor de CC

División del problema propuesto en diferentes tareas. Resolución de cada una de ellas por separado: conversión A/D, caracterización de los sensores adoptados, conversión D/A e implementación de la ley de control mediante una interrupción asociada a la temporización del período de muestreo. Simulación y depuración. Conexionado del hardware y ejecución sobre el target seleccionado. Integración final. Programación de consignas variables.



Práctica 5: Implementación y validación de un algoritmo de control de la velocidad angular del eje de un servomotor de CC según el método MBD

Conceptos generales del MBD. Implementación y validación mediante MBD --- Sofware-in-the-Loop (SIL), Processor-in-the-Loop (PIL) y Hardware-in-the-Loop (HIL)---.

Se emplearán metodologías activas para la enseñanza; en concreto, las de aprendizaje basado en problemas y proyectos. Por una parte, se plantean problemas reales dándoles solución, al objeto de interiorizar los conceptos trabajados en las clases magistrales. Por otra, se proponen problemas más complejos (proyectos) en el laboratorio, para que el alumnado interiorice el proceso para su gestión: división en tareas más simples, tratamiento de cada una de ellas como un problema independiente y resolución, y propuesta de una solución que integre cada uno de los resultados independientes.

• Sistema de Evaluación Final
• Herramientas y porcentajes de calificación:
  • Prueba escrita a desarrollar (%): 30
  • Realización de prácticas (ejercicios, casos o problemas) (%): 20
  • Prueba práctica en el laboratorio (%): 50

El método de evaluación de la asignatura es de evaluación continua y se basará en tres pruebas que se desarrollarán para analizar si el alumnado ha alcanzado las competencias de la asignatura, a saber:



- Prueba escrita en la que se evaluarán los conceptos básicos teóricos trabajados sobre todo en las clases magistrales: 30% (3 puntos).



- Prueba práctica de laboratorio en la que se evaluarán aspectos más prácticos de la asignatura, trabajados también en las clases magistrales, pero, sobre todo, en las prácticas de laboratorio: 50% (5 puntos).



- Valoración del proyecto práctico: durante parte de las sesiones prácticas de laboratorio el alumnado trabajará sobre un proyecto práctico que se les planteará. La valoración de dicho proyecto tendrá un peso del 20% (2 puntos).



Para superar la asignatura la nota obtenida tras sumar la puntuación de las tres pruebas de evaluación ha de ser igual o mayor que 5 puntos. Asimismo, es preciso obtener, como mínimo, la mitad de la puntuación otorgada a la prueba escrita y a la prueba práctica de laboratorio. A saber:



- prueba escrita: 30% (1,5 puntos), y

- prueba práctica de laboratorio: 50% (2,5 puntos).



En el caso de superar una única prueba, la calificación final será, como máximo, de 4.



Si se supera alguna de las tres pruebas de evaluación, pero no todas, se conserva la calificación obtenida en las partes superadas hasta la convocatoria extraordinaria.



RENUNCIA A LA CONVOCATORIA ORDINARIA



Para renunciar a la convocatoria es preciso no presentarse a ninguna de las pruebas (prueba escrita y prueba práctica) y constará como un No Presentado.

La prueba que se desarrollará para analizar si el alumnado ha alcanzado las competencias de la asignatura en la convocatoria extraordinaria estará dividida en tres partes diferenciadas:



- Parte escrita: 30% (3 puntos).

- Parte práctica de laboratorio: 50% (5 puntos).

- Cuestiones relativas al proyecto práctico trabajado: 20% (2 puntos).



Para superar la asignatura la nota obtenida tras sumar la puntuación de las tres pruebas de evaluación ha de ser igual o mayor que 5 puntos. Asimismo, es preciso obtener, como mínimo, la mitad de la puntuación otorgada a la prueba escrita y a la prueba práctica de laboratorio. A saber:



- parte escrita: 30% (1,5 puntos), y

- parte práctica de laboratorio: 50% (2,5 puntos).



En el caso de superar una única prueba, la calificación final será, como máximo, de 4.



RENUNCIA A LA CONVOCATORIA EXTRAORDINARIA



No presentarse a la prueba de evaluación supondrá la renuncia a la convocatoria y constará como un No Presentado.

Material de apoyo en la plataforma eGela, consistente en:

- Diapositivas empleadas como apoyo para el desarrollo de las sesiones teóricas y prácticas.
- Guiones de las prácticas.
- Resoluciones a los ejercicios de programación realizados durante las sesiones teóricas.
- Resoluciones a los problemas de programación planteados en las sesiones prácticas. Se proporcionarán, deliberadamente, dos semanas después de su planteamiento.

Bibliografía básica

- Odant B. (1995). "Microcontroladores 8051 y 8052", Thomson Paraninfo.

- Schultz T. (2008). "C and the 8051", Wood Island Prints.

- Yiu J. (2013). "The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3 and M4 Processors", Newnes.

Bibliografía de profundización

- INTEL (1994). "MCS 51 Microcontroller Family User's Manual".
- Barrón M. y Martínez J. (1999). "Aplicaciones Prácticas con el µc-8051. Programación en Lenguaje C", Disen-Educativos.

Revistas

- International Journal of Electrical Engineering Education (IJEEE)
- ELEKTOR
- Automática e Instrumentación
- IEEE Transactions on Education

Direcciones web

- Keil development tools for the 8051 microcontroller:
http://www.keil.com/c51

- NXP 80C552 microcontroller's development tools, evaluation boards, example codes, etc.:
http://www.keil.com/dd/chip/3104.htm

- Web site dedicated to the 8052 microcontroller:
http://www.8052.com

- ARM Cortex-M series web page:
http://www.arm.com/products/processors/cortex-m

- Software and Tools for Kinetis MCUs:
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?code=KINETIS_SWTOOLS

- TWR-KV31F120M: Kinetis KV3x Family Tower System Module:
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=TWR-KV31F120M&lang_cd=en