Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem:
https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7538| Título : | Tarjeta de desarrollo basada en un FPGA |
| Autor : | LOPEZ APARICIO, JEHU |
| Fecha de publicación : | 2020 |
| Resumen : | La Licenciatura en Física de la Facultad de Ciencias, es una carrera que tiene entre sus objetivos, formar profesionistas con conocimientos y habilidades fìsico-matemáticas, así como dominio de una metodología teórico-experimental que le permitan llegar a conclusiones validables. Para ello es importante, ofrecer al estudiante el conocimiento de los últimos avances en la electrónica y en la instrumentación. Por ello, es importante contar con una infraestructura en equipo y laboratorios que permitan al estudiante tener un mejor aprovechamiento. Los avances en electrónica permiten encontrar en el mercado ,tarjetas de desarrollo con aplicaciones en domótica, ingeniería biomédica, estadística y procesamiento de señales en general; algunas permiten monitorizar una variable física, desplegar los datos en una pantalla, almacenarlos en una memoria, comunicarlos y procesarlos. Para usar estas tarjetas se requiere de entrenamiento en el uso de dispositivos programables. La mayoría de estos tarjetas están basados en microcontroladores y pocos, en arquitecturas como el de un arreglo de compuertas programable en campo (FPGA). Las tarjetas basadas en FPGAs tienen mayor capacidad de procesamiento, pero debido a su disponibilidad, costo y a la literatura disponible, no son usados comúnmente. En el plan de la licenciatura de física se contempla el estudio y entrenamiento en el uso de dispositivos con muy alta escala de integración, sin embargo se hace poco al respecto por la falta de tarjetas basadas en FPGAs. El laboratorio de electrónica no cuenta con tarjetas de desarrollo basados en FPGAs para complementar la formación del estudiante en electrónica digital y que permita entrenarlos en arquitecturas de FPGAs. Además, se propone generar material didáctico, tal como un conjunto de proyectos experimentales, material escrito para el apoyo en el entrenamiento, manuales de uso y una tarjeta de diseño propio. |
| URI : | https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7538 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | LOPEZ APARICIO, JEHU |
| metadata.dcterms.callforproject: | 2020 |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2020-2021 |
| metadata.dcterms.educationLevel: | nivel superior |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura |
| metadata.dc.description.objective: | Objetivo general: El objetivo general es mejorar la calidad educativa en la enseñanza de la electrónica e instrumentación mediante el entrenamiento en el uso del dispositivo programable FPGA. Objetivos específicos: "Revisar el estado del arte de tarjetas de desarrollo empleadas en instrumentación electrónica. Conocer las metodologías y estrategias de diseño de tarjeta de desarrollo basados en FPGAs. Diseñar la tarjeta de circuito impreso (PCB). Implementar la tarjeta de desarrollo basada en FPGAs (Montar los componentes). Diseñar un firmware para verificar la funcionalidad de la tarjeta. Diseñar, desarrollar y validar un conjunto de prácticas nuevas en el área de instrumentación electrónica. Implementar prácticas para el Laboratorio de electrónica. Elaborar y publicar manuales para prácticas utilizando FPGAs. Diseñar, organizar e impartir cursos de actualización para los profesores de electrónica y para profesores interesados en aprender a instrumentar, utilizando dicha plataforma." |
| metadata.dc.description.strategies: | Diseño de la Tarjeta de desarrollo basado en FPGA El diseño de la tarjeta de desarrollo consistirá en los siguientes puntos. Entrenamiento en el uso del FPGA. Familiarización con el uso del software de diseño de circuito impreso. Revisión de distintos modelos de chips FPGA para elegir la mejor relación costo/beneficio. Revisión y elección de componentes necesarios para implementar la tarjeta de desarrollo. Diseño de la tarjeta de circuito impreso en software. Fabricación de la tarjeta de circuito impreso. Implementación de la tarjeta de desarrollo. Diseño de un firmware para verificar la funcionalidad de la tarjeta de circuito impreso. Enseñanza y entrenamiento en el FPGA Para lograr la enseñanza y entrenamiento en el uso de plataformas basadas en FPGAs, se considerarán los siguientes pasos. Repaso general de electrónica digital; Hacer un recordatorio de: sistemas de numeración binaria y hexadecimal, compuertas lógicas, flip-flops, multiplexores y demultiplexores, entre otros. Introducción a los dispositivos programables. Revisión de los distintas plataformas programables tales como: Microcontroladores, Microprocesadores y FPGAs. Introducción al entorno de programación de FPGAs. Introducción al entorno de simulación. Creación de símbolos y módulos programados. Implementación de las siguientes prácticas: contador binario, divisores de frecuencia, máquinas de estado, registro de corrimiento, conversión serie-paralelo y contadores. Implementación de distintos módulos, tales como: comunicación, control, intérprete de órdenes, entre otros. Manuales para el uso de equipo y materiales El manual del uso del de equipo y materiales, se elaborará con base en el material impartido en el curso considerando solo el equipo indispensable para el aprendizaje de dicha plataforma. El manual contendrá un ejemplo de configuración de la plataforma FPGA, así como un ejemplo para tal propósito. Se recopilará y organizará la información de las clases y se resumirá en forma de un protocolo. Se complementará la sección teórica mediante información proporcionada por el fabricante de dicha plataforma, en este caso ALTERA. Se recopilaran las prácticas más ilustrativas y se incluirán como parte de las prácticas necesarias para aprender esta plataforma. Se discutirá el resultado de cada unas de las prácticas para mejorar el curso. Se elaborarán prácticas buscando que puedan resolver la necesidad de algún laboratorio. El manual se conformará con los siguientes elementos: Carátula y/o portada Índice Introducción Objetivo Material Equipo Método Resultado Conclusiones Bibliografía Revisión del manual por profesores y alumnos. Cursos Para la impartición de cursos y talleres se llevará a cabo lo siguiente: Elaboración de programa. Búsqueda y selección de material. Registro de la actividad académica. Difusión. Implementación Evaluación Elaboración de informe. Infraestructura con la que cuenta el proyecto: Los participantes del proyecto cuentan con experiencia en la programación en FPGAs, además se ha contribuido activamente con el Laboratorio de Óptica Cuántica en el desarrollo de una tarjeta con interfaz PCI, la cual utiliza un FPGA para automatizar el experimento de correlación pares de fotones de conversión paramétrica descendente; además, esta tarjeta ha demostrado ser útil para dicho laboratorio, pues se ha utilizado desde hace 6 años para hacer estadística de fotones. Se hizo una actualización de dicho sistema y se reprogramó completamente el sistema empleando lenguajes de programación, tales como python, verilog y se actualizó el hardware de una tarjeta basada en comunicación PCI a una comunicación USB. Se cuenta con el Laboratorio de Electrónica para impartir clases y eventualmente, con el laboratorio de óptica cuántica para mostrar cómo se pueden aplicar los FPGAs en el conteo individual de fotones. Se cuenta con el apoyo Laboratorio Nacional de Soluciones Biomiméticas para Diagnóstico y Terapia (LaNSBioDyT) para el desarrollo de aplicaciones que requieran soluciones en tiempo real y procesamiento en paralelo. Se cuenta con el apoyo del taller de óptica para el desarrollo de prácticas y finalmente; se cuenta con material de electrónica e instrumentos como osciloscopios, generadores de funciones, multímetros y materiales por parte del laboratorio de electrónica. |
| metadata.dc.description.goals: | Año 1 Se entrenará a un estudiante de servicio social en el uso de dispositivos programables, microcontroladores y un FPGA, para que conozca las generalidades Se investigará las metodologías y estrategias de diseño de la tarjeta de desarrollo basado en un FPGA. Familiarización en el uso del software de diseño electrónico. Se diseñará la tarjeta de circuito impreso de la tarjeta basada en un FPGA. Se fabricarán 3 tarjetas de circuito impreso, para verificar que el diseño es correcto. Se diseñará un firmware (programa) para verificar la funcionalidad de la tarjeta. Se preparará algunas prácticas preliminares para verificar la funcionalidad de la tarjeta. Cuando se verifique que las tarjetas son funcionales, o en se corrijan los posibles errores, se fabricarán la 15 prototipos finales. Año 2 Se entrenará a los estudiantes en el uso de un FPGA Se elaborará un manual de los procedimientos de operación de los equipos e instrumentos utilizados en el laboratorio de instrumentación electrónica. Se diseñará y validará un conjunto de prácticas propuestas para el uso de dicha plataforma electrónica. Se diseñará un curso para el uso de plataforma basado en FPGA. Se producirá un total de 15 tarjetas de desarrollo basados en dicha plataforma. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | Debido a la contingencia sanitaria no fue posible cumplir con todos los objetivos planteados desde un inicio; estas eventualidades deberá ser algo que se considerará en el planteamiento de proyectos futuros; en general estoy muy satisfecho por el objetivo logrado y en mi opinión se logró de manera exitosa el objetivo general del proyecto, que es el diseño, desarrollo e implementación de una tarjeta de desarrollo basado en un FPGA. Según lo observado en el proceso de montaje de componentes hemos observado que para producción de tarjetas en seri, se requiere un horno para soldar y mantener así la temepratura de manera controlada y evitar daños a los componentes electrónicos. He adjuntado un documento que resume de manera general del proceso de diseño, implementación y prueba de la tarjeta de desarrollo basada en un FPGA. He puesto a disposición del laboratorio de electrónica de la Facultad de Ciencias, quince tarjetas de desarrollo para que sean usadas para la impartición de cursos del laboratorio de electrónica. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | Se entrenó a un estudiante de servicio social en el uso de microcontroladores y a otro estudiante en uso de un FPGA Cyclone II. Se investigaron las metodologías y estrategias de diseño de tarjetas de desarrollo basados en un FPGA; de los modelos disponibles se eligieron las características necesarias para hacer implementar la tarjeta de desarrollo. Se entrenó a un estudiante en el uso del software de diseño de tarjetas de circuitos impreso. Se diseñó la tarjeta de circuito impreso y se hicieron las revisiones correspondientes. Se fabricaron tres tarjetas de circuito impreso, se compraron los componentes y se montaron en la tarjeta PCB para verificar que el diseño es correcto. Se diseñó un firmware para verificar el funcionamiento correcto de: los puertos de programación, la memoria de configuración, el cristal oscilador de 100 MHz, circuito de reinicio y, las terminales de entradas y salida. Se prepararon dos prácticas para verificar el funcionamiento de la tarjeta como un divisor de frecuencias y otro como un reloj de 1 MHz. Se fabricaron 15 tarjetas, con las respectivas correcciones, y se ensamblaron todas las tarjetas con los errores. |
| metadata.dcterms.provenance: | Facultad de Ciencias |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
Ficheros en este ítem:
No hay ficheros asociados a este ítem.
Los ítems de DSpace están protegidos por copyright, con todos los derechos reservados, a menos que se indique lo contrario.
