DESARROLLO DE EQUIPOSELECTRÓNICOS CON PROTEUS 8

CONTENIDO

DESARROLLO DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS CON PROTEUS 8

Modulo I: Suite Integrada

Modulo II: Simulación

Modulo III: VSM

Modulo IV: PCBS

MÓDULO I: SUITE INTEGRADA

INTRODUCCIÓNProteus es una suite integrada de diseño que se compone de cuatro módulos:

• ISIS -Inteligent Schematic Input System-: Módulo de captura de esquemáticos.• VSM -Virtual System Modelling-: Es el módulo de simulación de circuitos incluyendo simulación interactiva y usando microcontroladores.• ARES -Advanced Routing Modelling-: Módulo de diseño de PCBs.• VSM Studio: Es una IDE -Integrated Development Environment- incluida con PROTEUS y diseñada para trabajar dentro del mismo ambiente de la plataforma de simulación de PROTEUS VSM.

Proteus es una novedosa herramienta que se usa tanto para aprendizaje de la electrónica como para el desarrollo de equipos complejos, Proteus es usado por algunas grandes compañías como por ejemplo:

• Volvo• Ferrari• Microchip Technologies• Xerox• BAE Systems• Michelin Tire• Hewlett Packard• Motorola• Glaxosmithkline• Philips• Lexmark International Inc.• Panasonic• Sanyo, entre muchas otras.

PROTEUS ofrece la habilidad de co-simular modelos Spice, componentes animados, instrumentos virtuales y microcontroladores para facilitar la validación de un sistema. Con PROTEUS VSM es posible reducir tiempos y costos de salida a producción de un sistema electrónico.

2. AMBIENTE DE DISEÑOISIS es la herramienta de captura de diseño usada tanto para los diseños que se desean simular como para diseño de PCBs, el modulo de captura de ISIS es el siguiente:

En el módulo de captura de ISIS se pueden encontrar entre otros los siguientes elementos:

Barra de herramientas: en ella se encuentran los grupos de objetos que se usan para la captura de los diseños y los instrumentos para la simulación, componentes, puertos, fuentes de simulación e instrumentos.

Lista de componentes: En la lista de componentes aparecen los componentes seleccionado previamente y listos para ser usados en el diseño.

Menus: Aparece la mayoría de herramientas disponibles para simulación, edición, depuración y ayudasZona de trabajo: es el espacio mayor de la pantalla, en el se colocan y cablean los componentes, fuentes, generadores e instrumentos que se quieran usar.

Figura 1. Ambiente de diseño

3. CAPTURA DE DISEÑOSLa captura de diseños se desarrolla colocando los componentes, fuentes e instrumentos y conectándolos entre sí. ISIS no tiene una herramienta de conexión como tal, simplemente se hace un click en uno de los pines a unir, se traza la conexión y se hace nuevamente click en el otro pin al que se quiere conectar.

Proteus cuenta con algo así como 20000 componentes listos para ser utilizados en los diseños, para tener disponible cada componente es necesario haberlo cargado previamente en la lista de componentes para lo cual se buscan en las librerías disponibles haciendo uso de los filtros y se da doble click sobre cada uno de los componentes que se quieran utilizar.

Para seleccionar los componentes de las librerías es necesario tener el modo Componentes activo

Tipos de Simulación:PROTEUS maneja tres tipos de simulación

• Simulación Interactiva: basada en componentes interactivos que permite que el usuario interactué con el diseño y pueda ver en el comportamiento del sistema, este tipo de simulación se basa en poder variar los parámetros de componentes de entrada como potenciómetros, perillas, teclados o interruptores entre otras y visualizar respuestas a estos estímulos por medio de Leds, pantallas LCD, Motores entre otros.:

Figura 2. Lista de componentes

Figura 3. Actuadores interactivos

Una vez seleccionados los componentes que se van a utilizar se procede a la colocación de estos en el espacio de diseño y luego a su interconexión, si es necesario se modifican los parámetros de los componentes como valores o footprints por ejemplo.

Motor

LCD Tráfico

Dipswitch Lámpara Servomotor

MÓDULO II: SIMULACIÓN

INTRODUCCIÓNProteus es una suite integrada de diseño que se compone de cuatro módulos:

Figura 4. Instrumentos Virtuales

A

B

C

D

A0A1A2A3A4A5A6A7

A8A9

A10A11A12A13A14A15

B0[0..7]B1[0..7]

B2[0..7]B3[0..7]

RST

CLKCE

RXD

RTS

TXD

CTS

SPIDINDOUTSCKSSTRIG

I2CSDA

SCL

TRIGAM FM

+

-

OE

B[0..7]

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7CASCADE

CLKINHOLDTRIG

CLKOUT

+88.8Volts

+88.8Amps

+88.8AC Volts

+88.8AC Amps

5.1 Simulación interactiva:El proceso de simulación de circuitos inicia con el proceso de captura de diseños, para lo cual es necesario seguir los siguientes pasos:

1. Elegir de las librerías los componentes que serán utilizados en el diseño.2. Colocar los componentes en el espacio de trabajo, es este punto es importante verificar que sean de tipo Activo si se desea cambiar los parámetros de un componente mientras se ejecuta la simulación.3. Realizar las conexiones necesarias4. Editar parámetros de los componentes, como valores y otros.

• Instrumentos Virtuales: PROTEUS cuenta con una serie de instrumentos que por su similitud con los equivalentes de los instrumentos reales se llaman Instrumentos Virtuales, estos instrumentos se insertan dentro del diseño como cualquier componente, algunos de los instrumentos más importantes son:

• Simulación gráfica: Este tipo de simulación está basada en modelos Spice, genera graficas que permiten hacer análisis más profundos de una señal como Bode o Fourier. Los tipos de simulación grafica que permite hacer PROTEUS son: Análoga, Digital, Mixta, Análisis de frecuencia, Barrido en DC, Barrido en AC, Análisis de ruido, Análisis de distorsión, Análisis de Fourier, Análisis de Audio y Análisis Interactivo.

Tutorial 1. Simulación Interactiva

1. En modo componente desde el cuadro de dialogo Pick Devices seleccionar los siguientes componentes:• BATTERY• FUSE• LAMP• SWITCH• MOTOR

2. Capture y simule el siguiente circuito:

3. Agregar instrumentos para realizar mediciones de corriente y voltaje: Del panel Instruments, seleccionar DC Voltmeter y DC Ammeter, note que el Ammeter se puede poner sobre el cable sobre el que se quiere medir la corriente.

PROTEUS incluye una serie de instrumentos virtuales que permiten veri�car de manera gra�ca el funcionamiento de diversos tipos de circuitos, estos instrumentos se denominan virtuales por su similitud en el uso y la interfaz de usuario con sus equivalentes instrumentos físicos. El uso de este tipo de instrumentos es muy similar a la del uso de instrumentos físicos, se colocan dentro del circuito como otros componentes. PROTEUS cuenta con los siguientes VIs:

• Virtual Oscilloscope• Virtual Logic Analyser• Virtual Signal Generator• Virtual Pattern Generator• Virtual Counter Timer• Virtual Terminal Model• SPI Protocol Analyser• I2C Protocol Analyser• Voltmeters and Ammeters

Tutorial 2. Instrumentos Virtuales

Con los instrumentos:• Signal Generator• Oscilloscope• Counter Timer

4. Editar las opciones de animación y repetir la simulación:

5. Revisar los componentes interactivos de PROTEUS

1. Crear el siguiente circuito:

2. Correr la simulación e interactuar con los instrumentos

3. Explorar los otros Instrumentos Virtuales

Tutorial 3: Simulación Digital Interactiva

1. De las librerías seleccionar los siguientes componentes:• 7SEG-BCD• CLOCK• DTFF• LOGIC PROBE

2. Capturar el siguiente esquemático:

3. Correr la simulación.

Simulación GráficaAunque la simulación interactiva tiene muchas ventajas, hay muchas situaciones en las que una simulación grafica que permita hacer mediciones detalladas y almacenar los resultados es deseable. La simulación grafica de PROTEUS, también permite hacer análisis que no se ejecutan en tiempo real, como análisis de pequeña señal por ejemplo. PROTEUS cuenta con las siguientes opciones avanzadas de simulación:

• Analog Transient Analysis• Digital Transient Analysis• Mixed Mode Transient Analyses• Frecuency Analysis• DC Sweep Analysis• AC Sweep Analysis• DC Transfer Curve Analysis• Noise Analysis• Distortion Analysis• Fourier Analysis• Audio Analysis• Interactive Analysis• Digital Conformance Analysis

Agregar los siguientes elementos:• Net Labels• Logic Probe• Logic Analyser

Tutorial 4: Simulación Grafica Digital

1. A partir del ejercicio anterior, agregar los siguientes elementos:• Digital Analyzer (Graphs)• DCLOCK (Generator Mode)• LOGIC STATE (Component)

2. Modificar el diseño de la siguiente manera:

Tutorial 5: Simulación Grafica Analógica

1. A partir de un nuevo proyecto, generar las librerías de los siguientes dispositivos:

• 741• Batttery• Cap• Res• Generators Sine (Amp= 1, Frec= 1K)• V Probe• Graphs Analogue• Graphs Fourier• Graphs Frecuency

Capturar el siguiente circuito y correr la simulación por medio de la tecla Espaciadora, sobra la grafica.

3. Correr la simulación - barra espaciadora

MÓDULO III: SIMULACIÓN DE MICROCONTROLADORES

Una de las principales características de PROTEUS VSM soporta simulación y depuración de diseños basados en microcontroladores. Para poder depurar el código de un microcontrolador se necesita más que el alto nivel del código fuente, información de las direcciones, variables locales, y otra información que no contiene el archivo .HEX usado para programar un dispositivo físico.

Afortunadamente los compiladores modernos producen archivos de salida para depuración de código, que contienen este tipo de información y que pueden ser cargados en PROTEUS para propósitos de depuración.

VSM STUDIO: PROTEUS 8VSM Studio es un IDE -Integrated Development Environment – incluido con PROTEUS 8 y diseñado para trabajar integrado con el ambiente de simulación de PROTEUS VSM. Adicionalmente a las características convencionales de una IDE, VSM Studio incluye:• Detección y configuración automática de una amplia lista de compiladores comerciales, para diferentes familias de dispositivos. Esto permite que en poco tiempo se esté en capacidad de integrar código a un proyecto sin necesidad de familiarizarse con un compilador externo. • Comunicación directa con el diagrama esquemático. Una vez se compila el código fuente en el editor, se pueden usar comandos de depuración como break points, paso a paso etc.• Tecnología Active Popup que permite especificar áreas de interés en el esquemático para visualizarlas en el IDE VSM Studio durante la simulación.

Variar algunos parámetros y volver a correr la simulación.

Tutorial 6: Simulación De Microcontroladores

1. Seguir el asistente para la creación de nuevos proyectos, crear un documento de esquemático y en Firmware agregar un microcontrolador PIC18f4520, usar el compilador CCS.

2. Agregar los siguientes elementos:• Counter Timer• Leds• Resistor• Logic State

3. Capturar el siguiente circuito:

4. En el editor de VSM Studio que se generó, agregar el código correspondiente a Tutorial_6.c, suministrado por el instructor.5. Simular el circuito.6. Poner el Counter Timer en modo Count y configurarlo como Active Popup.7. Volver a simular.8. Cambiar algunas líneas de código y volver a correr la simulación.

Tutorial 7: Simulación interactiva con MCus:

1. Siguiendo los pasos del ejercicio anterior, capturar el siguiente esquemático:

1. Agregar el código Tutorial_7.c, suministrado por el instructor2. Correr la simulación

2. Agregar en el VSM Studio en código Tutorial_8, correr la simulación. Cambiar algunas líneas del código, compilar y volver a correr la simulación.

Tutorial 8: Manejo de periféricos LCD1. Seguir los pasos anteriores para generar un proyecto y agregar el siguiente diagrama esquemático:

Tutorial 9: Comunicación Serial1. Seguir los pasos de los ejercicios anteriores para crear el siguiente circuito:

Tutorial 10: I2C1. Seguir los pasos anteriores para generar el siguiente circuito:

2. Agregar el código correspondiente al tutorial 9.

MÓDULO IV: DISEÑO DE PCBsEl propósito de este módulo es familiarizar rápidamente al usuario con las herramientas de diseño de tarjetas de circuito impreso con que cuenta PROTEUS. Con el desarrollo del siguiente tutorial se estará en capacidad de:

• Crear diseños Multihojas• Crear documentos PCBs• Definir reglas de diseño• Crear librerías• Enrutar PCBs• Visualizar en 3D• Generar archivos de documentación y fabricación

Tutorial 12: Diseño de PCBs 1. Usar el asistente para la creación de un proyecto, agregar esquemático, Firmware y PCB. Usar el micrcontrolador 18f4520.2. En el esquemático raíz, capturar el siguiente diseño:

2. Agregar el código correspondiente al Tutorial_10.C

Tutorial 11: Manejo de periféricos ADC.1. Seguir los pasos anteriores para generar el siguiente circuito:

2. Agregar el código correspondiente al Tutorial_11.C.3. Simular e interactuar con el LM35.

3. Mediante la herramienta Design>>New (Root) Sheet, para crear otra hoja de esquemático, cambiar el nombre a: Power y crear el siguiente esquemático:

4. Repetir los pasos y crear los siguientes dos esquemáticos:

5. Llamar Analog y Serial respectivamente. Es importante notar que para transmitir una señal de una hoja a otra se usan Terminals, con el mismo nombre.6. Antes de iniciar con el desarrollo del PCB es importante correr Tools>> Design Rules Check.7. Pasar al editor de PCBs.8. El primer paso para la creación de la tarjeta de circuito impreso es definir los bordes de la tarjeta, esto se hace con la herramienta 2D Graphics Box y seleccionar la capa Board Edge.

9. Colocar los componentes sobre la tarjeta y ajustar las dimensiones, pasar a vista en 3d para revisar la colocación de componentes de tal manera que quede similar a la siguiente tarjeta:

10. Desde el editor de PCBs modificar las reglas de diseño usando el cuadro Design Rule Manager.11. Enrutar la tarjeta explorando enrutado manual y automático.

12. Activar la opción Design Explorer del menú Design. Esto permite navegar por el diseño y revisar las conexiones.13. Del menú Tools, generar la lista de materiales BOM y ejecutar el Design Rule Check.14. Una vez se termine el enrutado se coloca el relleno de cobre.15. Para finalizar se generan los archivos de fabricación y documentación.