PROYECTO EPI: DISEÑO DE METODOLOGIA PARA EL DESARROLLO DE PCB MULTICAPA SIGUIENDO LAS NORMAS IPC2221.

1. IDENTIFICACIÓN DE LOS PARTICIPANTES

Estudiante ANDRÉS FELIPE JIMÉNEZ LÓPEZEstudiante de X semestre de Ingeniería Electrónica de la Universidad de los Llanos, habilidad en diseño de sistemas de control, aptitud para el trabajo en equipo, con amplios conocimientos en sistemas de control y modelamiento matemático.

Estudiante SANDRO DANIEL MARTÍNEZ MOSQUERAEstudiante de X semestre de Ingeniería Electrónica de la Universidad de los Llanos, habilidad en programación de microcontroladores, aptitud para el trabajo en equipo, con amplios conocimientos en sistemas de control y programación de hardware.

Director CESAR AUGUSTO ROMERO MOLANODocente de la Facultad de Ciencias Básicas e ingeniería en los programas de in-geniería electrónica y de sistemas. En las áreas de circuitos digitales y arquitectu-ra de computadores. Miembro del grupo de investigación GITECX clasificado en categoría D de Colciencias desde Junio del año 2011, tiempo en el cual se han de-sarrollaron los proyectos. Diseño y construcción de un robot móvil prototipo con navegación basada en visión artificial 2008, Evolución del gen digital con algoritmo genético para control de navegación basada en sistema de visión stereo de robot móvil en FPGA 2010 y Robot móvil todo terreno aplicado a la medición y georrefe-renciación de áreas 2012. Los mismos se desarrollaron con financiación del Insti-tuto De Investigaciones De La Orinoquia Colombiana IIOC.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA:

Durante el desarrollo de la formación académica de los estudiantes de Ingeniería enfocada al diseño de circuitos, bien sea sistemas control de procesos industriales, Telecomunicaciones o para el diseño de equipos médicos, es necesario tener en cuenta los conceptos básicos sobre el diseño e implementación dependiendo del fin que se le vaya a dar, dentro de estos parámetros es necesario incluir que los circuitos impresos juegan un papel fundamental al momento de la implementación y al realizarse correctamente la probabilidad de un buen funcionamiento es mayor.

Argumentar una situación que se presenta en un contexto especifico; como un falencia, una necesidad o un requerimiento, a cuya solución o entendimiento se

contribuirá con el desarrollo del proyecto. Se recomienda, hacer una descripción, análisis cuantitativo o pregunta sobre la naturaleza y magnitud del problema, de acuerdo a la situación que se está presentando.

Presentando de manera clara y precisa, el área problemática concreta; qué está ocurriendo, cómo se ve afectada la comunidad o el contexto.

3. OBJETIVOS:

3.1.Objetivo general

Elaborar la metodología para el desarrollo de PCB multicapa por medio de un Software de Desarrollo e implementar una tarjeta con los componentes necesarios para el funcionamiento de un sistema de control.

3.2.Objetivos específicos

Analizar los requerimientos de la tarjeta para su correcto diseño y posteriormente su funcionamiento.

Conocer cuáles son las normas IPC2221 necesarias para la implementación de PCB.

Aprender como es el respectivo funcionamiento del entorno de desarrollo. del software ALTIUM Designer.

4. JUSTIFICACIÓN:

4.1 CIRCUITOS IMPRESOS

Un circuito impreso es una placa o plaqueta de material aislante, Generalmente construida en Pertinax o material Epoxi. Posee, en una o en ambas de sus caras, láminas de cobre delgado que conectan los pines de los diferentes componentes que conforman un circuito eléctrico. El montaje de los componentes se realiza a través de orificios practicados en la placa o, en el caso de la tecnología de montaje superficial, soldados directamente sobre las láminas conductores.

MÉTODO DE DISEÑO TRADICIONAL

Tradicionalmente, realizar el diseño de una placa de circuito impreso era un proce-so tedioso y artesanal, Era necesario disponer de paciencia, mucha atención y pe-ricia para lograr un diseño sin errores y que cumpliera con una seria de reglas acordes al esquema elegido para armar. Para trabajar, se utilizaban elementos de dibujo técnico como reglas, escuadras, plantillas, lápices y fibras.[1]

APLICACIÓN DEL DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA (CAD) AL DISEÑO ELECTRONICO.

El diseño electrónico es, después del diseño mecánico, la segunda aplicación del CAD (computer aided design) en cuanto al volumen de negocio en el mercado mundial. Las técnicas modernas de circuito impreso de alta y, más aun, los circuitos integrados, son prácticamente imposibles de obtener por medio de manuales, precisándose el ordenador para todas las funciones de su diseño, simulación y fabricación.

Los sistemas CAD facilitan la labor del diseño con sus librerías de símbolos y elementos, que permiten incorporarlos fácilmente en cualquier parte del dibujo, con la posibilidad de asociar información alfanumérica a todos los elementos gráficos, facilidad para modificar interactivamente todas las entidades, programas para la extracción de datos y su impresión en el mismo dibujo o en listas aparte.

El paquete de software de un sistema de CAD para diseño electrónico consta de:

Un editor de gráficos que maneja módulos, con más conexiones definidas entre sí, de forma que un diseño de bloques puede representarse también en su mínimo detalle en base a sustituir cada bloque por su circuito equivalente.

Una base de datos jerarquizada de módulos en la que cada uno de estos puede estar formada por componentes u otros módulos.

Programas de generación de Net-list , lista de conexionados a partir de esquemas de los circuitos como base de entrada a los programas de simulación y de trazado de placas del circuito impreso o del circuito integrado.

Simuladores eléctricos del comportamiento del circuito, tanto analógicos como digitales. En los más potentes se mantiene la posibilidad de diseño jerarquizado, permitiendo la simulación parcial del circuito, con bloques totalmente definidos a su nivel más bajo y otros sólo a nivel de comportamiento.

Programas automáticos de colocación de componentes físicos y de conexionado automático, según algoritmos de optimización definidos. Permiten también la modificación interactiva del resultado para introducir el cambio que desee el proyectista.

Programas de comprobación de la red de conexiones con la correspondiente al esquema teórico y, de violación de normas del diseño.

Programas de extracción de datos, esquemas, planos, listas y cintas para las máquinas de control numérica y para la comprobación física. [2]

CONCEPTOS GENERALES

En la creación de circuitos impresos por ordenador, existen algunos conceptos generales y es necesario conocerlos antes de adentrarse en el diseño de PCB estos conceptos son:

FOOTPRINT, HUELLA O MÓDULO

Un footprint, huella o módulo, es la representación gráfica que se utiliza para la conexión del componente sobre la placa de circuito impreso, suele ir acompañada de unos taladros rodeados de cobre (denominados pads) que interconectan sus terminales y de unos dibujos (denominados obstáculos) que dan información al creador sobre su tamaño y colocación.

La traducción literal de la palabra footprint es huella dactilar, por eso en algunos libros (principalmente traducciones de inglés) se le llama huella. Aunque en otros libros se le llama módulo directamente con la palabra footprint.

Módulos para transistores . Diseño y desarrollo de circuitos impresos con KiCad- Miguel pareja Aparicio.

ENCAPSULADOS

Los encapsulados son los componentes físicos. Aunque existe una clara relación con el módulo, se tratan de conceptos distintos. Debido a que hay una cantidad de componentes que presentan los mismos encapsulados, por ejemplo: transistores con distintas características (intensidad, tensión, etc.) a la vista son iguales (excepto por la numeración que los identifica)

Encapsulados para transistores. Diseño y desarrollo de circuitos impresos con KiCad-Miguel pareja Aparicio.

PADS, NODOS O ISLETAS

Los Pads, nodos o isletas, se corresponden con la interconexión de cada uno de los pines de los componentes a la placa de circuito impreso, Dependiendo de la aplicación o documentación se utiliza una u otra denominación.

Las isletas son de diferentes tipos: cuadradas, redondas, ovaladas o para SMD. En función del tipo, hay que definir sus medidas, Hay que tener en cuenta que los módulos tienen definido el tamaño de las isletas y después, para un diseño en cuestión, debe ser modificado. Dependiendo de la aplicación a utilizar el diámetro interior se puede definir como diámetro del taladro (diámetro d), puesto que es el hueco necesario para la colocación de los pines del componente.

Tipos de Pad. Consideraciones para el correcto diseño de un PCB-Assisi S.R.L. Simposio Argentino de sistemas embebidos SASE 2014. [3]

PISTAS

Las pistas son las uniones de cobre que interconectan físicamente los pines de los componentes en la placa de circuito impreso. En las diferencias aplicaciones se representan como líneas que interconectan las isletas o nodos. Dependiendo de la aplicación y de las capas, se pueden identificar con uno u otro color desde la ventana de edición la aplicación utilizada.[4]

Pistas e isletas. Diseño y desarrollo de circuitos impresos con KiCad- Miguel pareja Aparicio.

4.2 SOFTWARE DE DESARROLLO

Algunas de las herramientas para la realización de PCBs más son las siguientes:

4.2.1 OrCAD Cadence PCB Solutions

OrCAD permite a los ingenieros electrónicos para llevar sus ideas de creación de producto a la vida. Entregamos herramientas de diseño electrónico para ayudar a los ingenieros electrónicos de todo el mundo.

Está enfocado en la capacitación de los ingenieros electrónicos. Para afrontar con éxito los objetivos del proyecto, los diseñadores de PCB e ingenieros electrónicos necesitan tecnologías potentes, intuitivos, e integrados que funcionan a la perfección a través de todo el flujo de diseño de PCB. OrCAD soluciones de diseño de PCB ofrecen un diseño totalmente integrado de inicio-fin, análoga /simulación de señal mixta, análisis de integridad de la señal, y las tecnologías de lugar-y-ruta que aumentan la productividad y reducir el tiempo de comercialización.

OrCAD suites de diseño de PCB proporcionan mejor combinación de capacidades de corte de última generación y excelente escalabilidad con varias opciones para agregar capacidades a medida que crecen las necesidades de diseño de la industria. Con OrCAD, ingenieros electrónicos pueden estar seguros de que tienen la tecnología para satisfacer no sólo hoy, sino también desafío de diseño de mañana.[5]

Entorno de trabajo para la creación de PCB OrCAD. http://www.ftdautomation.com/orcad-pcb-designer-with-pspice [6]

4.2.2 Altium Designer

Altium Designer es potente y flexible, lo que es mucho más fácil hacer diseños de PCB altamente restringidos rápido. Al mantener el esquema y PCB en sincronía, todos los dominios de diseño comparten una interfaz común el aumento de la usabilidad y la reducción de esfuerzo. Aproveche las opciones de salida documentación ricas en datos, y colaborar fácilmente con sus diseñadores mecánicos con la comprobación de gran alcance, el despacho nativo 3D.Este software se basa en la productividad en software de diseño de la electrónica para profesionales, incorporando funciones esquemáticas y circuitos impresos Junta CAD sin estrés unificadas con la verificación del diseño, validación y liberación formal y capacidad de reutilización. Altium Designer es utilizado por diseñadores e ingenieros de PCB para crear nuevos aparatos para el entretenimiento, la industria, la defensa y el bienestar de las personas y la sociedad;[7]

Beneficios: Entorno de trabajo fácil de usar. Alta Productividad De Flujo De Trabajo Diseño Pcb Nativamente Modelo El Diseño En 3d Con Control Distancia En Tiempo

Real Cuidado de Costos En Todo El Proceso De Diseño Colaborar Suavemente Con Co-Diseñadores E Ingenieros

Entorno de trabajo y creación de PCB en 3D con Altium designer. http://www.altium-ru.com [8]

4.2.3 Proteus VSM

Proteus es considerado uno de los mejores y más completos programas para el diseño de circuitos electrónicos en la actualidad, no solo por su capacidad de simulación y análisis, sino también por el hecho de poder utilizar una gran cantidad de microcontroladores de diferentes familias.

Es un sistema de diseño electrónico basado en la simulación analógica, digital o mixta de circuitos, que brinda la posibilidad de interacción con muchos de los elementos que integran el circuito. Incluye componentes animados para la visualización de su comportamiento en tiempo real, además de un completo sistema de generación y análisis de señales. También cuenta con un módulo para el diseño de circuitos impresos.

Las siglas VSM significan Virtual System Modelling, que en español podemos traducir como Sistema de modelado virtual, ya que Proteus VSM permite modelar la forma virtual en la computadora prácticamente cualquier circuito.

El programa cuenta con dos partes o componentes principales. Uno de ellos es el módulo ISIS, que es donde se dibujan los diagramas de los circuitos electrónicos y, también, desde donde se efectúan las simulaciones. El segundo componente es Ares es en este donde se diseñan las placas del circuito Impreso o PCB. [9]

Entorno de trabajo modulo ISIS Victor Rossano -Proteus VSM simulación de circuitos electrónicos 2013.

Modulo Ares Proteus VSM

Ares es la herramienta de la suite Proteus dedicada al diseño de placas de

circuitos impreso (PCB) Gracias a la utilización de una base de datos de redes de alta resolución de 32 bits. Con esta técnica se posibilita la colocación de elementos con una resolución de 10 nanómetros en placas de circuito impreso de hasta 20m. Está plenamente integrada con la herramienta ISIS.

Una vez diseñado en ISIS el esquema electrónico, se generara automáticamente la lista de redes (NETLIST). Una red es un grupo de pines interconectados entre sí y la lista de redes es una lista con todas las redes que forman nuestro diseño. ARES es capaz de recibir esta lista de redes para diseñar a partir de ella, nuestra placa de circuito impreso. De esta forma nos aseguramos que nuestra placa tendrá unidos entre sí los pines de forma idéntica a como los hemos definido en nuestro esquema electrónico.[10]

Figura 7. Entorno de trabajo modulo ARES proteus VSM- http://www.hubor- proteus.es/proteus-pcb/ares.html

5. CONTEXTO:

El desarrollo de PCB es de gran ayuda a la hora de realizar cualquier tipo de circuito por comodidad y eficiencia, se quita de un lado la tediosa tarea del uso de protoboards o váquelas primitivas en donde plasmar un circuito se torna confuso y en ocasiones poco eficaz, sin embargo a lo largo de la carrera de Ingeniería Electrónica nunca se hace énfasis en este tema. En los últimos años la tecnología para la impresión de circuitos impresos ha ido creciendo a tal punto de poder crear varias capas en una misma tarjeta disminuyendo el tamaño de las mismas.

6. METODOLOGÍA PROPUESTA:

En la metodología se plantean 4 fases secuenciales con la posibilidad de realizar tareas en paralelo mejorando el tiempo de desarrollo del proyecto, cumpliendo la totalidad de los objetivos propuestos. Las fases serán:

Análisis de Requerimientos Reconocimiento del entorno de desarrollo Documentación sobre normas IPC2221 Diseño de tarjeta para un sistema de control

6.1 Fase1: Análisis de Requerimientos

Analizar los requerimientos necesarios para el correcto funcionamiento del sistema de control con el cual se lleva a cabo el diseño de un circuito impreso para su implementación, dentro de estos requerimientos encontramos las siguientes tareas:

Definir Entradas: Las señales de entrada de un sistema de control, son necesarias estudiarlas para comprender como funciona del mismo y tener en cuenta estos datos al momento de realizar su respectivo acondicionamiento al diseñar el circuito impreso (PCB).

6.2 Fase: Reconocimiento del entorno de desarrolloAltium Designer es único en la habilidad de soporte de todos los aspectos de diseño electrónico desde la captura hasta generación de PCB y manufacturación de salida, desde desarrollos de software embebidos hasta procesando y descarga de un diseño de FPGA, No es solo un software de aplicación sino que tiene muchas herramientas a fin, por esto es necesario conocer Altium Designer como aplicación para el desarrollo del proyecto, siguiendo los siguientes pasos:

ELEMENTOS DEL ENTORNO: Aprender como la plataforma soporta todos los elementos de la interfaz de usuario con menús o barras de herramientas también llamados recursos.

TRABAJANDO CON PANELES: Los documentos almacenan objetos y entidades, las cuales son modificadas en el espacio de trabajo (Workspace). Los paneles son usados para dar una vista diferente a la información del actual documento, estos también son usados para trabajar a través del entorno.

6.3 Reconocimiento de las normas IPC2221

El sector legal siempre es un factor importante en el encaminamiento de un proyecto por tanto es necesario y primordial conocer estos aspectos para cumplir

con los parámetros establecidos en la norma internacional para el diseño de circuitos impresos multicapa entre otros.

6.4 Diseño de tarjeta para un sistema de controlPara el diseño del circuito impreso de un sistema de control se empieza con un circuito básico de control. Con base en este se siguen los siguientes pasos:

1. CREAR UN NUEVO PROYECTO PCB2. CONFIGURANDO LAS OPCIONES ESPECIFICAS DEL PROYECTO3. CONFIGURANDO LAS REGLAS DE DISEÑO4. DOCUMENTACION DE SALIDA

7. RESULTADOS ESPERADOS:

Se debe presentar el documento que contenga la metodología para el desarrollo de PCB multicapa siguiendo la norma IPC2221.

El correcto funcionamiento de la tarjeta para el sistema de control en la cual se plasmara todo el conocimiento adquirido durante el desarrollo de la metodología.

Realización de un artículo de la investigación el cual será sometido a publicación en revista especializada de la comunidad científica y tecnológica de ámbito nacional o internacional.

8. PRESUPUESTO:

Tabla 8.1 Presupuesto global del Proyecto por tipo de recurso (Col$)

RUBROSTipo de recurso

TOTALEfectivo

En especie

Gastos de personal 0$5.939.29

9$5.939.299

Materiales y suministro $3.500.000 0 $3.500.000

Compra de equipos para uso directo del proyecto

0 0 0

Gastos desplazamientos- salidas de campo

0 0 0

Servicios técnicos especializados 0 0 0

Reparación o mantenimiento de equipos 0 0 0

Adecuaciones menores de infraestructura 0 0 0

Asistencia a eventos para presentar resultaos del proyecto o estadías de capacitación.

$600.000 0 $600.000

Bibliografía- únicamente libros. 0 0 0

Derechos de publicación de los resultados del proyecto-artículo.

$500.000 0 $500.000

TOTAL $4.600.000$5.939.299

$10.539.000

Tabla 8.2 Descripción de los gastos de personal

DIRECTOR / EXPERTO/

ESTUDIANTE / AUXILIAR

Formación Académica

Función Dentro del Proyecto

DEDICACIÓN Horas/seman

a

Tipo de recurso

En efectivo

En especie

Cesar Augusto Romero Molano

Ing. Electrónico Esp. Redes de datos

Investigador principal y ejecutor del proyecto

10 0 $5.939.299

Estudiantes ingeniería Electrónica.

VIII , IX ó X Semestre de ingeniería Electrónica

Estudiantes EPI (Estudiante en modalidad Proyecto de Investigación)

3 0 0

Estudiantes ingeniería Electrónica.

X Semestre de ingeniería Electrónica

Estudiantes EPI (Estudiante en modalidad Proyecto de Investigación)

3 0 0

TOTAL $5.939.299

Tabla 8.3 Materiales y suministros

MATERIALES* JUSTIFICACION VALOR

Papeleria (Carpetas, Resmas de papel, marcadores, Empastado de documentos, DVD, fotocopias.

Elementos de oficina para imprimir documentación, análisis de resultados, informes, artículos y demás documentación relacionada con el proyecto.

$100.000

Multifuncional Láser SAMSUNG SL-M2070FW

Necesaria para la impresión, fotocopias y escáner de los diferentes documentos que genera el proyecto

$400.000

Componentes electrónicos como: cargadores, baterías, FPGA, microprocesadores, LCD, display microcontroladores, memorias, transistores, JFET, optoacopladores, relés, PCB, amplificadores operacionales, acondicionadores de señal, actuadores, sensores, diodos, condensadores, resistencias, borneras, terminales.

Componentes electrónicos necesarios para la adquisición y adecuación de las señales de entrada; al igual para el diseño de la fuente de alimentación y los diferentes PCB que se diseñaran

$3.000.000

TOTAL 0 $3.500.000

Tabla 8.4 Compra y uso de equipos de Hardware/Software u otros

HARDWARE/SOFTWARE JUSTIFICACIONTipo de recurso

TOTALEn efectivo

En especie

Licencia software de desarrollo para diseño de

PCB

Software al cual estará orientada la metodología.

0

Computador portátil Lenovo Y50-70 Ci7

Necesario para el diseño,

depuración y simulación de los diferentes

$3.500.000 $3.500.000

diseños de PCB del proyecto.

TOTAL $3.500.000 0 $3.500.000

Tabla 8.8 Asistencia a eventos o estadías de capacitación

Nombre del evento LugarPasajes

($)Inscripción

($)TOTAL

Participación en ponencias nacionales o internacional

Por definir $0 $600.000 $600.000

TOTAL $0 $600.000 $600.000

Tabla 8.10 Derechos publicación artículosTema del artículo Revista Valor

Derechos de Publicación de los resultado de la investigación realizada en revista nacional o internacional

Sin definir $400.000

TOTAL$400.000

1. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:

9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA:

[1] Daniel Benchimol. Electrónica práctica 1ª Edición. Publicación de Fox Andina en coedición con DALAGA S.A, 2011. [2] Rafael Ferré Masip. Diseño industrial por computador 1ª edición Editorial MARCOMBO, S.A.[3] Assisi S.R.L. Consideraciones para el correcto diseño de un PCB - Simposio Argentino de sistemas embebidos SASE 2014[4] Miguel Pareja Aparicio. Diseño y desarrollo de circuitos impresos con kiCad RC LIBROS 2010.[9] Victor Rossano -Proteus VSM simulación de circuitos electrónicos 2013.

INFOGRAFIA:

[5] http://www.futureworkss.com/tecnologicos/electronica/manuales/Manual %20del%20orcad%20Layout.pdf

[6] http://www.ftdautomation.com/orcad-pcb-designer-with-pspice [7] http://techdocs.altium.com/node/231456 [8] http://www.altium-ru.com

[10] http://www.hubor-proteus.es/proteus-pcb/ares.html