[PF] - Programación en VHDL - Creación de un Sistema de Ahorro de Energía para los sistemas de iluminación PDF

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Reporte del proyecto final de la materia, usando FSM y programado en VHDL...

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS “Francisco García Salinas”

Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Programa de Ingeniería en Computación. Laboratorio de Arquitectura de Computadoras. Proyecto Final Anteproyecto Creación de un Sistema de Ahorro de Energía para los sistemas de iluminación Alumno:

Iván Martínez López - 33142353 Docente – Investigador

M.I.A. Oscar Osvaldo Ordaz García

Zacatecas, Zac., 28 de Octubre de 2016

Índice Índice...................................................................................................................................................... 2 Capítulo 1.

Introducción .................................................................................................................. 4

1.1.

Descripción del curso:............................................................................................................. 4

1.2.

Objetivo general del curso. ..................................................................................................... 4

1.3.

Aportación de la asignatura al perfil del egresado. ................................................................. 4

1.4.

Herramientas de cómputo de apoyo........................................................................................ 5

1.5.

Lenguajes de descripción de Hardware .................................................................................. 5

1.6.

VHDL ..................................................................................................................................... 6

1.7.

Placa de desarrollo BASYS2 .................................................................................................... 6

Capítulo 2.

Proyecto Final - Anteproyecto ..................................................................................... 9

2.1.

Objetivo. ................................................................................................................................. 9

2.2.

Planteamiento del problema.................................................................................................... 9

2.3.

Diseño. .................................................................................................................................. 11

2.4.

Código................................................................................................................................... 13

2.5.

Simulación. ........................................................................................................................... 15

2.6.

Implementación. ................................................................................................................... 16

2.7.

Circuito para el foco.............................................................................................................. 17

Capítulo 3.

Resultados y Conclusiones – Proyecto Final - Anteproyecto ................................. 18

Capítulo 4.

Referencias................................................................................................................... 19

. Índice de Figuras Figura 1.1. Comparación Lenguaje Descriptivo de Hardware con Software. ......................................................... 6 Figura 1.2 Placa de Desarrollo BASYS2.................................................................................................................. 7 Figura 1.3 Diagrama a bloques de la placa de desarrollo BASYS2.......................................................................... 7 Figura 1.4 Puertos de E/S de la placa de desarrollo BASYS2 .................................................................................. 8 Figura 1.5 Puertos PMod de la placa de desarrollo BASYS2................................................................................... 8 Figura 2.1. Diseño de la Máquina de Estados ....................................................................................................... 12 Figura 2.2. Simulación en StateCAD .................................................................................................................... 15 Figura 2.3. Entidad descrita en Esquemático ........................................................................................................ 16 Figura 2.4. Distribución de entradas y salidas ...................................................................................................... 16 Figura 2.5. Funcionamiento en la implementación ............................................................................................... 17 Figura 2.6. Circuito para el foco ........................................................................................................................... 17

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Capítulo 1. Introducción 1.1.

Descripción del curso:

El curso de Arquitectura de Computadoras comprende el estudio de la teoría, técnicas, tecnologías y métodos de la fusión del hardware y software, haciendo énfasis en cada uno de sus componentes, de esta manera se logra conocer más a fondo las computadoras, por medio del estudio de la arquitectura de estas mismas, incluyendo los dispositivos que conforman a estas, de forma que se estudian los dispositivos más elementales de una computadora, así se llega a conocer el objetivo de cada uno de estos elementos, como están construidos, como es que estos funcionan, como desempeñan su papel y como se ven relacionados con los demás dispositivos dentro de la computadora, permitiendo el funcionamiento de esta misma como lo conocemos ahora.

1.2. El

Objetivo general del curso. objetivo

general

es

conocer

la

estructura

y

funcionamiento

básicos

del hardware y software, así como aplicar los aspectos generales que comprenden a la tecnología de la computación, así como abordar los conceptos sobre hardware y arquitectura de computadoras, para abordar las cuestiones vinculadas con el procesamiento de estas mismas.

1.3.   

Aportación de la asignatura al perfil del egresado.

Adquirir los conocimientos sobre en que se fundamenta la Arquitectura de Computadoras. Conocer los bloques básicos de construcción de sistemas combinacionales y secuenciales, los conceptos de memoria y máquina de estados que permiten la constitución de una máquina lógica universal. Poder diseñar rutinas de atención a los periféricos de un computador, con énfasis en eventos de tiempo real.

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

 

Capacitar al estudiante para que maneje los conceptos básicos de la arquitectura de computadoras, partiendo de los bloques constructivos elementales del microprocesador. Capacitar al estudiante para que comprenda la arquitectura de sistemas y computadoras, a través de una visión desde su lenguaje de máquina. Introducir al estudiante en temas de arquitecturas avanzadas.

1.4.

1.5.

Herramientas de cómputo de apoyo 

Tarjeta de evaluación con FPGA de XILlNX



Entorno de desarrollo Aldec Aclive-HDL 8.3



Entorno de desarrollo ISE de XHinx 12.3v



Entorno de desarrollo Adepl de Digilent

Lenguajes de descripción de Hardware

Para la descripción del hardware en el FPGA, es necesario un lenguaje para cumplir dicho propósito. Los lenguajes descriptivos de hardware fueron desarrollados para hacerle frente a la creciente complejidad de los diseños digitales. Se puede hacer una analogía con lo que se puede llamar lenguaje de programación de software. La Figura 1.1 nos muestra la comparación de los lenguajes descriptivos de hardware con los de software. Según el nivel de abstracción, como el código máquina que es el de más bajo nivel en software y su contraparte el transistor en hardware, otra comparación es el lenguaje ensamblador con un netlists y por último se compara un lenguaje de alto nivel como puede ser (java, c#, etc.) con los lenguajes de descripción de hardware HDL’s, (Hardware Description Language). Los lenguajes de descripción de hardware son usados para modelar el sistema digital de los sistemas electrónicos discretos. Para esto utilizan lenguajes descriptivos del tipo HDL (VHDL, Verilog, Handel-C), lo cual hace posible aplicar metodologías descendentes (topdown), es decir realizar primero el diseño y al final las características del circuito electrónico. También es posible realizar co-diseño hardware-software, sistemas de cómputo que no utilicen microprocesadores o hasta el diseñar sistemas hardware con la flexibilidad y potencial de los sistemas software. En contraparte Verilog es un lenguaje de descripción de hardware usado para modelar sistemas electrónicos. El lenguaje, algunas veces llamado 5

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Verilog HDL, soporta el diseño, prueba e implementación de circuitos analógicos, digitales y de señal mixta a diferentes niveles de abstracción. Cabe destacar que HDL es un lenguaje usado con una comunidad activa de más de 50,000 diseñadores.

Figura 1.1. Comparación Lenguaje Descriptivo de Hardware con Software.

1.6.

VHDL

En la actualidad, el lenguaje de descripción de hardware más utilizado a nivel industrial es VHDL (Hardware Description Language), que apareció en la década de los 80 como un lenguaje estándar, capaz de soportar el proceso de diseño de sistemas electrónicos complejos, con propiedades para reducir el tiempo de diseño y los recursos tecnológicos requeridos. El departamento de Defensa de Estados Unidos creó el lenguaje VHDL como parte del programa “Very High Speed Integrated Circuits” (VHSIC), a partir del cual se detectó la necesidad de contar con un medio estándar de comunicación y la documentación para analizar la gran cantidad de datos asociados para el diseño de dispositivos de escala y complejidad deseados; es decir, VHSIC debe entenderse como la rapidez en el diseño de circuitos integrados. Hoy en día VHDL se considera como un estándar para la descripción, modelado y síntesis de circuitos digitales y sistemas complejos. Este lenguaje presenta diversas características que lo hacen uno de los HDL más utilizados en la actualidad.

1.7.

Placa de desarrollo BASYS2

La placa de desarrollo BASYS2 de la Figura 1.2, es una plataforma de circuitos digitales en comunicación con un FPGA, que permiten implementar diferentes diseños, entidades y sistemas digitales. Construida alrededor de una matriz de compuertas programables de Xilinx Spartan- 3E y un controlador USB AtmelAT90USB2. 6

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Figura 1.2 Placa de Desarrollo BASYS2

La placa BASYS2 proporciona hardware completo, listo para el adecuado uso de circuitos de alojamiento que van desde dispositivos lógicos básicos hasta controladores complejos. También se observa una gran colección de dispositivos integrados de Entrada/Salida y circuitos requeridos para la comunicación en el FPGA como lo muestra la Figura 1.3, por lo que un sinnúmero de diseños se pueden realizar e implementar.

Figura 1.3 Diagrama a bloques de la placa de desarrollo BASYS2

La placa de desarrollo BASYS2 cuenta con varias interfaces de E/S, tiene cuatro botones pulsadores (push-button) y ocho interruptores deslizantes (switch-button) que se proveen como entradas para la placa de desarrollo. Estos generan un pulso alto o bajo dependiendo de la posición. En el caso de los pulsadores si están siendo activados. Estas interfaces de entrada cuentan con resistencias en serie para protección de cortocircuitos (un cortocircuito ocurriría si un pin asignado al FPGA es fijado inadvertidamente como interfaz de salida). También cuenta con ocho LED’s y cuatro displays de 7 segmentos los cuales trabajan como salidas de la placa de desarrollo. Los LED’s son accionados desde el FPGA a través de pulsos de corriente en compañía de resistencias, que se iluminan cuando un ‘1’ lógico se escribe en el 7

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pin correspondiente del FPGA. Un noveno LED se ofrece como un indicador de encendido y se enciende cada vez que el FPGA ha sido programado correctamente. Como se puede apreciar en la Figura 1.4.

Figura 1.4 Puertos de E/S de la placa de desarrollo BASYS2

La placa de desarrollo posee cuatro conectores de expansión, que permiten la interconexión con diferentes diseños propios, que pueden ser dispositivos como protoboards, placas de circuitos o Pmods (que son módulos digitales de E/S que ofrecen convertidores A/D y D/A, controladores de motores, entradas de sensores analógicos entre otros). Estos conectores disponen de 6 pines protegidos contra daños por descargas electroestáticas y cortocircuitos, lo que garantiza una larga vida útil en cualquier entorno. Como se puede apreciar en la Figura 1.5.

Figura 1.5 Puertos PMod de la placa de desarrollo BASYS2

Para las prácticas del laboratorio, se dispone de varias placas de desarrollo BASYS2. 8

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Capítulo 2. Proyecto Final - Anteproyecto Creación de un sistema de Ahorro de Energía para los sistemas de iluminación en la Tarjeta de Desarrollo Digilent Basys

2.1.

Objetivo.

Crear un sistema de ahorro de energía en la tarjeta de desarrollo, el cuál controlará el encendido y apagado de las luces de un hogar, oficina o cualquier otro espacio que cuente con este tipo de iluminación, lo fundamental de este sistema es que funcione automáticamente por medio de sensores, los cuales nos permitirán determinar las condiciones de la habitación en la que se encuentre instalado el sistema y elegirá si las luces deben prenderse o apagarse.

2.2.

Planteamiento del problema.

A través de los tiempos el ser humano ha avanzado haciendo uso de múltiples servicios que le han proporcionado confort a su existencia, como la energía eléctrica, que ha tenido un papel importante en el desarrollo de la sociedad, ya que permite el avance de la tecnología en la vida moderna, y ofrece equipos cada vez más equipos sofisticados que brindan entretenimiento y comodidades, pero que a su vez demandan mayor cantidad de energía. Para la gran mayoría de las personas, la electricidad es algo que está siempre disponible, se aprieta un interruptor y prende, se enchufa algo y funciona, pero pocos están conscientes de lo que implica estar malgastando este servicio. Esto ha hecho que el consumo de energía eléctrica, especialmente en las grandes ciudades, sea muy grande, por lo que hay que reflexionar y pensar en aminorar el uso de la energía eléctrica. El ahorro de energía afectaría directamente a nuestros bolsillos, dado que al usar de una forma más eficiente este servicio el coste que hay que pagar por el será menor, pero además de esto también ayudaremos un poco al planeta.

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El cambio climático y la contaminación son temas de bastante importancia, y el ahorro energético está ligado con este tema, en este caso en particular, nuestro país México cuenta con plantas de generación de electricidad limpia (solar, eólica), pero dada la extensión del país y la gran cantidad de personas que habitan en él, se siguen usando plantas como las termoeléctricas, estas en particular necesitan de quemar combustible por lo que generan un alto porcentaje de contaminación ambiental. Si se usaran sistemas ahorradores de energía en hogares, oficinas y demás lugares, no sería necesario depender de plantas energéticas que causen gran contaminación al planeta. Como resultado del ahorro de energía y en relación a las plantas energéticas se pueden obtener resultados positivos para el ambiente, ya que: 

Menos plantas hidroeléctricas implican menos deforestación.



Menor generación de energía nuclear resulta en menor radiación y menores riesgos.



Menos plantas termoeléctricas implican menos contaminación.

El sistema a diseñar tienen como finalidad determinar la cantidad de iluminación con la que cuenta la habitación, de esta forma no se encenderán las luces si aún es día y se cuenta con luz natural suficiente para trabajar cómodamente, además el mismo sistema debe determinar si hay personas dentro de la habitación, ya que aunque se necesite luz en la habitación pero si no hay personas no tiene sentido que este prendida. Aunque este sistema sea bastante simple, cabe destacar que el alumbrado representa un gran gasto de energía, dado que siempre está en uso, y normalmente no le damos importancia a este, por lo que pueden pasar horas y este permanecer encendido aunque no lo necesitemos, por lo que al automatizarlo podremos obtener un ahorro de energía significativo.

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2.3.

Diseño.

El sistema, como se dijo anteriormente, cuenta con 2 sensores, los cuales representan las entradas, mientras que el sistema de alumbrado/iluminación, el cual será representado con un foco, será la salida, esto trabajara en conjunto con una entrada de reloj y una entrada de reset por si es necesario reiniciar el sistema en caso de algún “bug” o mal funcionamiento que pueda ocurrir. El sistema se puede representar con 3 estados, el primero de ellos indicará el estado del sistema de iluminación, que para simplificar si esta entrada es = 1, indicará que hace falta encender las luces, mientas que si es 0 indica que las luces no son necesarias. El segundo estado representa el sensor de movimiento, la idea es que si detecta movimiento tenga un 1 en su salida. Por último cuando los dos estados anteriores estén en 1, es decir, no haya luz suficiente en la habitación y se haya detectado movimiento, las luces prenderán.

Planteado de esta forma puede causar ciertas inconsistencias, como que las luces estén parpadeando, que las luces se apaguen con personas a dentro u otro tipo de problemas, una idea para solucionar este tipo de imprevistos sería que una vez que el sensor detecte movimiento se iniciara un contador interno, supongamos que este contador tiene un tope de 3 minutos, si el sensor pasa 3 minutos sin detectar movimiento alguno los focos se apagarán, en cambio, si antes de completar esos 3 minutos se detecta un movimiento, este contador se reinicia a 0, pudiendo evitar algunos problemas que se puedan presentar, esto no se implementará dado que no se usarán sensores, se usaran switch’s que representaran los sensores, solo se plantea esta problemática que puede darse debido a la sensibilidad de los sensores de movimiento, y de que las personas no están en constante movimiento. El diseño de los estados se ha realizado en el programa StateCAD, el cual se muestra en la figura 2.1, se observa que se tienen los 3 estados descritos anteriormente con sus respectivas transiciones a estos.

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Figura 2.1. Diseño de la Máquina de Estados

Como se observa en la figura, y sin contar el estado inicial, lo primero que se analiza es el estado del sensor de luz, si este envía un 1 significa que hace falta luz en la habitación, por lo que se procede a analizar el estado del sensor de movimiento, si este no detecta movimiento alguno, el foco permanecerá apagado y si hay un cambio en la iluminación de la habitación, el sensor de luz se pondrá en 0, por lo que se pasara del estado del sensor de movimiento al estado del sensor de la luz, por lo que aunque se detecte movimiento las luces no se encenderán, en cambio, estando en el estado del sensor de movimiento, si hay movimiento se pasa al estado de iluminación donde las luces se encenderán, para salir de este estado basta ...