Sistema de Control utilizando Altera Quartus II: Lenguaje Esquematico

Software QUARTUS II

Quartus II es una herramienta de software producido por Altera para el análisis y la síntesis de los diseños en HDL. Quartus II permite al desarrollador compilar sus diseños, realizar análisis temporales, examinar diagramas RTL y configurar el dispositivo de destino con el programador.

La Edición Web es una versión gratuita de Quartus II que puede ser descargada o enviada gratuitamente por correo. Esta edición permite la compilación y la programación de un número limitado de dispositivos Altera. La familia de FPGAs de bajo coste Cyclone, está soportada por esta edición, por lo que los pequeños desarrolladores no tiene problemas en el coste del desarrollo de software. Entre sus ventajas se tiene:

• Posee editor de lenguje simbolico.
• Posee un editor de formas de onda que puede ser utilizado para describir un sistema digital, como para determinar las entradas en una simulación.
• Posee un compilador que es capaz de recibir como entrada tanto archivos con la descripción del sistema (VHDL, VERILOG), como archivos con circuitos esquemáticos. Puede ejecutar simulaciones, usando como archivo de entrada uno creado por el editor de formas de onda.
• Puede programar un dispositivo CPLD (primero es necesario especificar el modelo y los pines de entrada y salida que se usaran).

Etapas del proceso se diseño en la plataforma ALTERA

Sistema Volcador de Anodos de Carbon

Introducción

A continuación se presenta la implementación de un sistema de control digital utilizando el Software Quartus II de Altera. El sistema, utilizado en la empresa del aluminio, se encarga de colocar en posición vertical los ánodos de carbón utilizados en el proceso de reducción, para su transportación a las fosas de cocción.

Debido a la disposición horizontal en la que provienen los ánodos del proceso de vibrocompactación, donde son formados, es necesario realizar el volcamiento para disponerlos en forma vertical, debido a que esto mejora el proceso de cocción y da una mejor consistencia al ánodo.

Para este proceso se implementa un sistema mecánico que puede ser controlado por un sistema digital, implementado con Circuitos Digitales Configurables.

Objetivo

Realizar el control del Volcador de ánodos de carbón, utilizando un sistema de control digital, mediante lenguaje simbólico, con la ayuda del software Quartus II de Altera.

Descripción del Proceso

El sistema volcador de ánodos de carbón esta compuesto por sistemas mecánicos de arrastre y empuje y sensores electrónicos para la detección de objetos. En la siguiente figura se muestra la composición del sistema.

Sistema volcador de anodos de carbon

Entre los sensores electrónicos utilizados para controlar el sistema están:

• SP_C1 (Fotoeléctrico): Detecta presencia de ánodos de carbón en el conveyor.
• SM_H y SM_V (Inductivos): Detectan la posición de la mesa (volcador), horizontal o vertical respectivamente.
• SP_C2 (Mecánico): Detecta presencia de ánodos de carbón dentro de la mesa (volcador).
• SE_AT y SE_AD (Inductivos): Detectan la posición del empujador neumático, atrás o adelante respectivamente.
• SF_1 y SF_2 (Fotoeléctrico y Mecánico): Detectan sistema full, paquete de ánodos formado.
  
  

Como salidas se tienen:

• Activación del conveyor (MC_ON), señal que activa el motor para mover los ánodos hacia la mesa (volcador).
• Señal VM_ON y VM_OFF, utilizadas para activar la mesa (volcador) hacia arriba y hacia abajo respectivamente.
• Señal EM_AD y EM_AT, utilizadas para activar el empujador hacia adelante y hacia atrás respectivamente.
  

Descripción del funcionamiento:

• Al encenderse el sistema (ON=’1’), detectarse ánodos de carbón en el conveyor (SP_C1=’1’), y las condiciones de: mesa en posición horizontal (SM_H=’1’) y descargada (SP_C2=’0’) se comienzan a desplazar los ánodos hacia el volcador, hasta que uno de ellos este dentro del mismo.
• Cuando se detecta el ánodo dentro del volcador (SP_C2=’1’) se detiene el conveyor, posteriormente se da la orden de subir la mesa (volcador) hasta que se posiciona verticalmente (SM_V=’1’). Esto ocurre siempre y cuando el empujador este en posición atrás (SE_AT=’1’).
• Una vez colocado en posición vertical el ánodo, se activa el empujador (EM_AD=’1’) para sacar el ánodo del volcador hasta que el empujador llega a la posición adelante (SE_AD=’1’).
• Posteriormente, una vez que se activa el regreso del empujador (EM_AT=’1’) y que este llega a la posición atrás (SE_AT=’1’), se activa la señal para bajar la mesa (VM_OFF=’1’) hasta que esta llega a la posición horizontal (SM_H=’1’).
• Luego, al estar nuevamente las condiciones, se repite el proceso.
• Si la señal de ON=’0’, el sistema se detiene. Igualmente si el sistema se llena (esta formado el paquete de seis ánodos a la salida del volcador), se activan las señales de full (SF_1=SF_2=’1’), es detenido el conveyor para evitar que se introduzcan mas ánodos de carbón al volcador.

Todo lo anterior puede observarse en la tabla logica y ecuaciones digitales para el funcionamiento del sistema.

Tabla de la verdad y Ecuaciones logicas

Con la ayuda del la herramienta CAD Quartus de Altera, se puede entonces diseñar la logica digital para ser integrada en un chip que maneje el funcionamiento del sistema.

Diseño del circuito en Quartus II a partir de las ecuaciones lógicas

Para la implementación del circuito en Quartus II, una vez definida la tabla y las ecuaciones lógicas, el siguiente paso es muy sencillo. Con la ayuda de compuertas digitales AND, Lacht RS y compuertas NOT, se construyen las funciones lógicas definidas por las ecuaciones.

Para esto se procede, primeramente a la construcción de un nuevo proyecto:

• Se inicia el software Quartus II, File → New Project Wizard.
• Luego, paso a paso se va configurando el proyecto, Name, etc.
• A continuación se escoge el tipo de dispositivo, Family: FLEX10K, Available Devices: EPF10K10LC84-3

Para crear el esquemático del circuito:

• Se selecciona File → New. En la ventana emergente se cambia a Block Diagram/Schematic File. Luego OK. Aparecerá la ventana donde se diseñara el circuito.
• Al dar doble click sobre el espacio en blanco se abrirá Libraries, donde se localizan los componentes de Altera para el diseño. Se abre la librería Primitives. Al expandirla se escoge la compuerta lógica AND, de acuerdo al numero de entradas necesarias, luego click OK.
• Una vez realizado todo el paso anterior, aparece sobre el editor grafico, en el centro, el símbolo seleccionado.
• Los dos pasos anteriores deben repetirse dependiendo del número de elementos que vallan a utilizarse: Lacht RS y compuertas NOT, igualmente para seleccionar en la carpeta PIN, los conectores de entrada y salida de las señales a implementar.
• Al hacer doble click sobre los pines de I/O, se pueden renombrar para relacionarlos con las señales del proyecto.
  

Para hacer las conexiones de los símbolos:

• Al posicionar el cursor sobre el pin de un elemento, esta cambia de forma, se deja presionado el click izquierdo del mouse y se lleva hasta el pin del elemento con el que desea hacerse la conexión. Este paso se repite hasta completar las conexiones necesarias.
• Igualmente, para conectar un elemento a una línea ya creada, se lleva el puntero desde el pin de este elemento hasta la línea deseada.
• Al final de este paso se ha creado el diseño simbólico.

Diagrama del circuito en Quartus II

Asignación de Pines:

• En el menú principal de Quartus II se selecciona Assignments → Pins.
• Al hacer doble click sobre uno de los pines del dispositivo, puede asignársele una de las señales de I/O definidas en el proyecto. Al asignar una señal de entrada, el pin correspondiente quedara definido con entrada. De igual manera para las señales de salida.
• Estos pasos se repiten para cada una de las señales definidas en el proyecto.
• Al terminar se presiona en OK.
• Posteriormente en Save, para salvar los cambios.
  

La asignación de pines se puede apreciar en la siguiente figura.

Asignacion de Pines

Para compilar el proyecto:

• Se selecciona Processing → Start Compilation.
• Luego, si se recibe el mensaje: Full complication was successfull, se continúa con el proyecto. Si aparece cualquier error entonces debe verificarse hasta cumplir los pasos anteriores.
• Cerrar la ventana del compilador.
  

Para realizar la simulación:

• En el menú principal se selecciona File → New → Other Files → Vector Waveform File y click en OK.
• Del menu principal, selecciona Edit → Insert Node or Bus.
• Click en Node Finder.
• Cambiar Pins: all y click en List. Aparecerán todas las señales que pueden implementarse en la simulación (todas las definidas en el esquemático como I/O.
• Click sobre el botón >> para activar las señales en la simulación.
• Click en OK y luego OK.
• Para realizar la simulación en un tiempo de 0.0ns a 160.0ns, se selecciona Edit → End Time se define 160.0 ns en Time.
• Se selecciona View → Fit in Window para mostrar el rango completo de la simulación.
• Ir seleccionando una a una las señales de entrada e ir definiendo en la ventana propia de simulación, la activación o no en el tiempo.
• Las señales de salida no están, en primera instancia, definidas en la simulación.

Definicion de Estados de las Señales

• Se selecciona Assignments → Settings para abrir la ventana de ajustes. Bajar a
  Simulations Settings y cambiar Mode a Functional.
• Ir a File → Save.
• Seleccionar el nombre del proyecto de simulación y click en OK.
• En el menu principal seleccionar Processing → Start Simulation.
• Al terminar la simulación hacer click en OK.
• Select View → Fit in Window para mostrar el rango complete de la simulación.
• Se simulan las diferentes situaciones y se verifica la activación de las salidas con respecto a la tabla de la verdad.

Resultado de la Simulacion

Conclusion y Analisis de resultados

Del diseño del circuito en simbólico, se comprueba la facilidad y familiaridad con otros software de simulación electrónica de circuitos, aunque limita un poco su aplicación a conocedores de los circuitos integrados digitales. Para un diseñador informático, que no este familiarizado con los circuitos digitales integrados TTL, será un poco engorroso el diseño en este lenguaje, no así para un diseñador electrónico de circuitos.

De acuerdo a lo planteado en las ecuaciones lógicas y lo definido por la tabla de la verdad, en el grafico anterior se observa el correcto funcionamiento del circuito diseñado. La activación y desactivación de las señales de salidas se corresponden con lo esperado.

El funcionamiento comienza exactamente a los 10ns, cuando se dan las condiciones iniciales (ON=’1’, SP_C1=’1’, SM_H=’1’, SE_AT=’1’) y se activa la señal MC_ON, activando el conveyor que lleva el ánodo de carbón hacia la mesa (volcador), y finaliza con la desactivación de la señal VM_OFF, que vuelve la mesa (volcador) a su posición horizontal, comenzando de ahí en adelante un nuevo ciclo. De igual forma, al activarse las señales de sistema full (SF_1=SF_2='1') se observa como la señal MC_ON='0', comprobandose su correcto funcionamiento.