ES2622734B1 - Multi-functional educational electronic device for various branches of engineering - Google Patents

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ES2622734B1 ES201600861A ES201600861A ES2622734B1 ES 2622734 B1 ES2622734 B1 ES 2622734B1 ES 201600861 A ES201600861 A ES 201600861A ES 201600861 A ES201600861 A ES 201600861A ES 2622734 B1 ES2622734 B1 ES 2622734B1
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Andrés GÓNGORA GONZÁLEZ
Ana María CRUZ MARTÍN
Vicente Manuel ARÉVALO ESPEJO
Cipriano Galindo Andrades
Javier González Monroy
Carlos SÁNCHEZ GARRIDO
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Abstract

Dispositivo electrónico educativo de funcionalidad múltiple para diversas ramas de la ingeniería. La invención se refiere a un dispositivo que, con una serie de requisitos a nivel de microcontrolador y alimentación, comprende los siguientes subsistemas: subsistema de indicadores digitales (dota al microcontrolador de indicadores luminosos), subsistema de conversión analógica-digital (transforma a un valor de voltaje analógico en el rango 0 - 5v el valor digital de 8 bits procedente del microcontrolador), subsistema RC+RLC (altamente configurable, consiste en dos mallas de circuito eléctrico que incluyen resistencias, condensadores e inductancias), subsistema de interfaz externa (permite utilizar dispositivos externos), subsistema servo (permite controlar servomotores de radiocontrol externos), subsistema potenciómetro (consiste en un potenciómetro lineal), subsistema de pulsadores (para introducir datos o información digital), subsistema SRAM (amplía la capacidad de almacenamiento del microcontrolador en memoria RAM estática) y subsistema misceláneo (con componentes que dan soporte a los demás subsistemas).Multifunctional educational electronic device for various branches of engineering. The invention relates to a device that, with a series of requirements at the microcontroller and power level, comprises the following subsystems: digital indicator subsystem (provides the microcontroller with light indicators), analog-digital conversion subsystem (transforms to a value of analog voltage in the range 0 - 5v the 8-bit digital value from the microcontroller), RC + RLC subsystem (highly configurable, consists of two electrical circuit meshes that include resistors, capacitors and inductances), external interface subsystem (allows use external devices), servo subsystem (allows control of external radiocontrol servomotors), potentiometer subsystem (consisting of a linear potentiometer), push button subsystem (to enter data or digital information), SRAM subsystem (extends the storage capacity of the microcontroller in memory Static RAM) and miscellaneous subsystem (with components that support other subsystems).

Description

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DESCRIPCIONDESCRIPTION

Dispositivo electronico educativo de funcionalidad multiple para diversas ramas de laElectronic educational device with multiple functionality for various branches of the

ingenieriaengineering

Sector de la tecnicaTechnology Sector

La presente invencion se encuadra en el sector de los dispositivos electronicos de entrenamiento o de aprendizaje, particularmente aquellos que permiten a un usuario realizar practicas de laboratorio sobre conceptos de nivel de FP, grado o master en diversas ramas de ingenieria.The present invention falls within the sector of electronic training or learning devices, particularly those that allow a user to carry out laboratory practices on concepts of FP level, degree or master in various branches of engineering.

Estado de la tecnicaState of the art

Los circuitos electronicos existentes para el entrenamiento en diversas metodologias y conceptos relacionados con la ciencia y la ingenieria son abundantes, aunque no hemos encontrado ninguno que aporte las novedades de la presente invencion ni el mismo numero de funcionalidades, mucho menos considerando el relativamente bajo numero de requisitos que se establecen para la implementation de la misma.The existing electronic circuits for training in various methodologies and concepts related to science and engineering are abundant, although we have not found any that contribute the novelties of the present invention or the same number of functionalities, much less considering the relatively low number of requirements that are established for its implementation.

Para estructurar esta section se han distinguido las siguientes categorias de dispositivos relacionados:To structure this section, the following categories of related devices have been distinguished:

A- Placas electronicas donde puede insertarse un microcontrolador y que proveen una serie de circuiteria para entrenarse en el uso de ese microcontrolador. Son de tamano mucho mayor que el microcontrolador, normalmente de alto coste y pueden ofrecer un numero elevado de posibilidades de entrenamiento. Ejemplos: [23], [24], [25], [26]. Sin embargo, ninguna dispone del subsistema RC+RLC que se propone en esta invencion, ni de otros subsistemas de la misma, como el caso de la RAM estatica o las conexiones con dispositivos externos de ±10v.A- Electronic boards where a microcontroller can be inserted and that provide a series of circuitry to train in the use of that microcontroller. They are much larger than the microcontroller, usually high cost and can offer a high number of training possibilities. Examples: [23], [24], [25], [26]. However, none have the RC + RLC subsystem proposed in this invention, nor any other subsystems thereof, such as the static RAM or connections with external devices of ± 10v.

B- Placas electronicas que extienden aquellas basadas en microcontrolador (por ejemplo, Arduino/Genuino [1] o PICduino [20]), llamadas comunmente shields. Son de pequeno tamano (aproximadamente igual que el de la placa que contiene al microcontrolador), de bajoB- Electronic boards that extend those based on microcontroller (for example, Arduino / Genuino [1] or PICduino [20]), commonly called shields. They are small in size (approximately the same as that of the board containing the microcontroller), low

coste y de posibilidades bastante limitadas de entrenamiento, mucho mas que las de lacost and quite limited training possibilities, much more than those of the

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categoria A y de las que provee la presente invention. Ejemplos: [27], [28], [29].category A and of those provided by the present invention. Examples: [27], [28], [29].

C- Placas de entrenamiento para microprocesadores (mucho mas potentes que los microcontroladores), como la Raspberry Pi [21]. Suelen tener tambien una funcionalidad muy limitada, incluso mas que las de la categoria A. Por ejemplo: [30], [31], [32].C- Training plates for microprocessors (much more powerful than microcontrollers), such as Raspberry Pi [21]. They usually also have very limited functionality, even more than those in category A. For example: [30], [31], [32].

D- Kits de aprendizaje de electronica, no asociados a ninguna CPU (microcontrolador o microprocesador), que permiten montar circuitos de diversa naturaleza. Por ejemplo: [33], [34], [35].D- Electronic learning kits, not associated with any CPU (microcontroller or microprocessor), which allow to assemble circuits of diverse nature. For example: [33], [34], [35].

Las categorias C y D, aunque relacionadas con esta invencion, suponen diferencias tan importantes que se consideran no comparables con la misma: las placas de entrenamiento de microprocesadores (C) requieren una circuiteria auxiliar muy importante para acompanar a estos, cosa no necesaria en los microcontroladores (la cual incrementa el coste, el tamano y el consumo); ademas, al ser los microprocesadores dispositivos electronicos orientados a la ejecucion de programas de ordenador de alto nivel (sistemas operativos de cierta complejidad y aplicaciones de usuario), se alejan bastante de lo necesario para el aprendizaje de conceptos y metodologias relacionados con la ingenieria como los que se pretenden aqui. Por otra parte, los kits de aprendizaje de electronica (D) solo permiten el entrenamiento con conceptos muy basicos, en algunos casos de otras ramas de la Fisica como la Mecanica, y nunca de manera programable, lo que las hace poco utiles en los niveles de grado, master o FP cuando se requiere alcanzar cierta complejidad y flexibilidad en el aprendizaje y no quedarse solamente en la description de los conceptos fisicos (por ejemplo, ser capaz de controlar los sistemas implicados).Categories C and D, although related to this invention, imply such important differences that they are considered not comparable with it: the microprocessor training plates (C) require a very important auxiliary circuitry to accompany them, something not necessary in the microcontrollers (which increases cost, size and consumption); In addition, being microprocessors electronic devices oriented to the execution of high-level computer programs (operating systems of certain complexity and user applications), they are quite far from what is necessary for learning concepts and methodologies related to engineering such as which are intended here. On the other hand, the electronic learning kits (D) only allow training with very basic concepts, in some cases from other branches of Physics such as Mechanics, and never in a programmable way, which makes them little useful in levels of degree, master or FP when it is required to achieve certain complexity and flexibility in learning and not only stay in the description of the physical concepts (for example, being able to control the systems involved).

Respecto a la categoria A antes descrita, la presente invencion proporciona funcionalidades que no estan presentes en esas soluciones, puede fabricarse a mucho menor tamano y precio pero sin tener por ello menores prestaciones y no requiere incluir un sistema de adaptation de alimentation. Entre las funcionalidades de la presente invencion que no se encuentran en las soluciones de esta categoria estan: una circuiteria RC+RLC configurada de forma muy precisa para hacer ejercicios de Control Automatico, Modelado de Sistemas y Adquisicion de Datos sin tener que anadir ningun dispositivo externo a la invencion; una memoria RAM suficiente para la adquisicion de datos de ese y otros subsistemas (que puede ser sensiblemente mas amplia que la que suelen traer los microcontroladores integrada); conexiones para poder controlar y adquirirWith respect to the category A described above, the present invention provides functionalities that are not present in these solutions, can be manufactured at a much smaller size and price but without having lower performance and does not require including a power adaptation system. Among the functionalities of the present invention that are not found in the solutions of this category are: an RC + RLC circuitry configured in a very precise way to do exercises of Automatic Control, Systems Modeling and Data Acquisition without having to add any external device to the invention; a sufficient RAM for the acquisition of data from that and other subsystems (which can be significantly larger than what the integrated microcontrollers usually bring); connections to control and acquire

datos de dispositivos externos que funcionen en el rango de ±10v (por ejemplo, motores dedata from external devices operating in the range of ± 10v (for example, motor drives

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corriente continua), etc. Ademas, la presente invention refleja directamente los nombres de los pines del microcontrolador en su propio etiquetado, por lo que resulta muy adecuada para el aprendizaje del mismo (no lo oculta, cosa que sucede en otras soluciones de esta categoria).direct current), etc. In addition, the present invention directly reflects the names of the microcontroller pins in their own labeling, so it is very suitable for learning it (it does not hide it, which happens in other solutions of this category).

Respecto a la categoria B, la presente invention no aporta novedades en precio o tamano, pero si, claramente, en algunas de sus funcionalidades, que, como en el caso de la categoria A, no se encuentran en soluciones existentes, y tambien en el propio numero de funcionalidades provistas a un coste y tamano similares o menores respecto de otros shields: control de dispositivos externos de ±10v, sistemas integrados en el mismo shield para hacer experimentos (circuiteria RC+RLC, potenciometros, LEDs, pulsadores, memoria RAM estatica para la adquisicion de datos, conversor digital-analogico, comunicaciones serie (SPI), conectores para servos y medidor del consumo de los mismos), etc. La presente invention, de ser fabricada como shield, puede cubrir asi en un solo dispositivo ejercicios de aprendizaje en una diversidad de ramas de la ingenieria (Sistemas de Tiempo Real, Sistemas Electronicos, Sistemas de Control, Sistemas de Adquisicion de Datos, Robotica, etc.), lo que esta mucho mas alla de las posibilidades de las soluciones existentes en esta categoria.With respect to category B, the present invention does not provide novelties in price or size, but clearly, in some of its functionalities, which, as in the case of category A, are not found in existing solutions, and also in the own number of functionalities provided at a similar or lower cost and size compared to other shields: control of external devices of ± 10v, systems integrated in the same shield for experiments (RC + RLC circuitry, potentiometers, LEDs, pushbuttons, static RAM for data acquisition, digital-analog converter, serial communications (SPI), servo connectors and their consumption meter), etc. The present invention, if manufactured as a shield, can thus cover learning exercises in a variety of branches of engineering in a single device (Real Time Systems, Electronic Systems, Control Systems, Data Acquisition Systems, Robotics, etc. .), which is far beyond the possibilities of existing solutions in this category.

Hay que senalar, por ultimo, que el numero de dispositivos relacionados que han sido patentados en este area de la tecnica no son tan numerosos como los comercializados, debido, entre otras cosas, al auge del movimiento open-hardware u open-source hardware (el usuario puede fabricarse sus propios dispositivos porque los esquematicos estan disponibles gratuita y publicamente [43]), el cual esta siendo tremendamente importante en la ultima decada. Las patentes que se han identificado relacionadas con la presente invention pertenecen mayoritariamente a la categoria D (US4812125A [36], US4213253A [37], US4464120A [38], US5868575A [39], US4315320A [40], US3996457A [41], WO2015112103A1 [42]). Existe alguna de la categoria A (CN104424836A [22]), y otras dificiles de clasificar, como CN201765731U [44] y CN103646585A [45], que podrian considerarse en la categoria B porque incluyen placas de expansion de una placa con microcontrolador, pero tambien en la categoria A puesto que tambien patentan la propia placa del microcontrolador (en cualquier caso, estas dos patentes en particular consiguen una funcionalidad comparable a la presente invention —sin incluir, en cualquier caso, subsistemas como el SRAM, el RC+RLC o la conexion con dispositivos externos a ±10v— solo cuando se anaden multiples extensiones al microcontrolador, no solo una, y, por tanto, a menor ratio funcionalidad/(coste, tamano, etc.) que la presente invencion).Finally, it should be noted that the number of related devices that have been patented in this area of the technique are not as numerous as those marketed, due, among other things, to the rise of the open-hardware or open-source hardware movement ( the user can make their own devices because the schematics are available free and publicly [43]), which is being tremendously important in the last decade. The patents that have been identified related to the present invention belong mostly to category D (US4812125A [36], US4213253A [37], US4464120A [38], US5868575A [39], US4315320A [40], US3996457A [41], WO2015112103A1 [ 42]). There is one of category A (CN104424836A [22]), and others difficult to classify, such as CN201765731U [44] and CN103646585A [45], which could be considered in category B because they include expansion plates of a microcontroller board, but also in category A since they also patent the microcontroller board itself (in any case, these two patents in particular achieve functionality comparable to the present invention — not including, in any case, subsystems such as SRAM, RC + RLC or connection with external devices at ± 10v - only when multiple extensions are added to the microcontroller, not just one, and, therefore, at a lower functionality / ratio (cost, size, etc.) than the present invention).

Description breve de la inventionBrief description of the invention

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La presente invention comprende una placa de circuito impreso con un gran numero de funcionalidades educativas que puede ser fabricada con pequeno tamano y a bajo coste. La placa incluye una serie de componentes electronicos de forma que, una vez conectada a un microcontrolador que debe cumplir unos requisitos minimos, especificados mas adelante, y a una fuente de alimentation suficiente para su consumo total, permite la realization de una gran diversidad de ejercicios practicos para asignaturas de ingenieria, muy superior a la encontrada en dispositivos existentes de requisitos, coste y tamano similares.The present invention comprises a printed circuit board with a large number of educational functionalities that can be manufactured with small size and at low cost. The board includes a series of electronic components so that, once connected to a microcontroller that must meet minimum requirements, specified below, and to a sufficient power supply for its total consumption, it allows the realization of a great diversity of practical exercises for engineering subjects, far superior to that found in existing devices with similar requirements, cost and size.

La invencion incluye: un etiquetado que favorece el aprendizaje de la programacion directa del microcontrolador en cuestion al replicar explicitamente los nombres de las senales de este en la propia placa (algo que no todas las placas existentes hacen); 8 salidas digitales en el rango 0/5v; 2 entradas digitales en el rango 0/5v con capacidad de recibir datos digitales o bien senales externas independientes de interruption; 1 entrada y 1 salida analogicas en el rango de ±10v; memoria RAM estatica de cualquier tamano de almacenamiento siempre que tenga conexion por bus serie de tres lineas digitales (SPI), sea compatible con el tamano de fabrication y tenga un consumo esperado de corriente compatible con la alimentacion de la placa; 8 LEDs (diodos luminosos); 1 potenciometro manual lineal; 1 conector para servomotores de radio control comandados por ondas PWM de 5v en dos formatos distintos, con el fin de abarcar la practica totalidad de los comercializados; un sistema de medida del consumo de corriente del servo; 3 pulsadores manuales; y, finalmente, 1 subcircuito lineal, llamado subsistema RC+RLC en esta invencion, construido en base a resistencias, condensadores e inductancias, de dos mallas y altamente configurable.The invention includes: a labeling that favors the learning of the direct programming of the microcontroller in question by explicitly replicating the names of the signals of this on the board itself (something that not all existing boards do); 8 digital outputs in the 0 / 5v range; 2 digital inputs in the 0 / 5v range capable of receiving digital data or external signals independent of interruption; 1 analog input and 1 output in the range of ± 10v; static RAM of any storage size provided that it has a three-line serial bus (SPI) connection, is compatible with the manufacturing size and has an expected current consumption compatible with the board power supply; 8 LEDs (LEDs); 1 linear manual potentiometer; 1 connector for radio control servomotors commanded by 5v PWM waves in two different formats, in order to cover almost all of those sold; a system for measuring the current consumption of the servo; 3 manual push buttons; and, finally, 1 linear subcircuit, called the RC + RLC subsystem in this invention, built on resistors, capacitors and inductances, of two meshes and highly configurable.

Description detallada de la invencionDetailed description of the invention

La presente invencion comprende una placa de circuito impreso junto con unos componentes electronicos que permiten en su conjunto la realizacion de una diversidad de experiencias de aprendizaje en asignaturas de diversas ingenierias a nivel de FP, grado o master. Los valores de los componentes electronicos se han seleccionado para maximizar la funcionalidad de la invencion. Su principal caracteristica y novedad, por tanto, consiste en su alto ratio funcionalidad/coste (y tambien funcionalidad/tamano de fabricacion), de forma que a un coste de produccion y tamano reducidos puede ofrecer una funcionalidad mucho mas amplia que otras soluciones actualmente existentes, y en algunos de sus subsistemas, novedosa. Ese fin se ha alcanzado mediante las siguientes estrategias:The present invention comprises a printed circuit board together with electronic components that allow as a whole the realization of a diversity of learning experiences in subjects of various engineering at the level of FP, degree or master. The values of the electronic components have been selected to maximize the functionality of the invention. Its main characteristic and novelty, therefore, consists in its high functionality / cost ratio (and also functionality / manufacturing size), so that at a reduced production cost and size it can offer much wider functionality than other currently existing solutions , and in some of its subsystems, novel. That end has been achieved through the following strategies:

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• El usuario puede reconfigurar de forma sencilla algunas partes del circuito segun las necesidades de aprendizaje.• The user can easily reconfigure some parts of the circuit according to the learning needs.

• La invention reutiliza los mismos subsistemas a la hora de proveer distintas funcionalidades.• The invention reuses the same subsystems when providing different functionalities.

• Se puede fabricar como una extension de placas existentes que provean el microcontrolador y la alimentation necesarias, asi como posibles comunicaciones con un ordenador personal (PC).• It can be manufactured as an extension of existing boards that provide the necessary microcontroller and power supply, as well as possible communications with a personal computer (PC).

• El uso concreto dado a los pines del microcontrolador que la invencion utiliza esta orientado especificamente a maximizar las funcionalidades que pueden ofrecerse al usuario.• The specific use given to the microcontroller pins that the invention uses is specifically aimed at maximizing the functionalities that can be offered to the user.

Los requisitos para utilizar esta invencion no son numerosos ni demasiado exigentes; son los siguientes (vease en la figura 1 un despliegue general de la misma):The requirements for using this invention are neither numerous nor too demanding; they are the following (see figure 1 for a general display of it):

• Disponer de una placa que contenga un microcontrolador que funcione a una tension de 5v en sus pines y que permita que esos pines se puedan conectar a la invencion a traves de conectores apropiados. En particular, ese microcontrolador necesita disponer de las siguientes funcionalidades basicas, todas de manera independiente (con objeto de simplificar las explicaciones que siguen, toda referencia a entradas analogicas, salidas digitales, pines de entrada y pines de salida se realizara siguiendo la nomenclatura correspondiente al microcontrolador concreto que se presenta en la seccion de modo de realization preferida de la invencion, sin que de ello deba deducirse limitation alguna ya que se pretende ejemplificar de forma generica y valida para cualquier microcontrolador que cumpla los requisitos aqui indicados):• Have a board containing a microcontroller that operates at a voltage of 5v on its pins and that allows those pins to be connected to the invention through appropriate connectors. In particular, this microcontroller needs to have the following basic functionalities, all independently (in order to simplify the explanations that follow, all reference to analog inputs, digital outputs, input pins and output pins will be carried out following the nomenclature corresponding to Concrete microcontroller that is presented in the preferred realization section of the invention, without any limitation being deduced since it is intended to exemplify in a generic and valid way for any microcontroller that meets the requirements indicated here):

o 3 entradas de voltaje analogico en el rango 0/5v dotadas del conversor o los conversores necesarios de analogico a digital, capaces de proporcionar voltajes digitalizados al software del microcontrolador con una frecuencia minima de 9KHz (por tanto, un reloj para el microcontrolador que permita esas frecuencias; notese que una frecuencia de 9 kilo-muestras por segundo es muy baja y puede ser conseguida facilmente por muchos microcontroladores dotados de conversion analogica-digital). Pueden compartir conversor entre las tres entradas analogicas, y en ese caso solo se requiere la frecuencia de conversion indicada cuando se usara cada una de ellasor 3 analog voltage inputs in the 0 / 5v range equipped with the converter or the necessary analog to digital converters, capable of providing digitized voltages to the microcontroller software with a minimum frequency of 9KHz (therefore, a clock for the microcontroller that allows those frequencies; note that a frequency of 9 kilo-samples per second is very low and can be easily achieved by many microcontrollers equipped with analog-digital conversion). They can share converter between the three analog inputs, and in that case only the indicated conversion frequency is required when each of them will be used

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individualmente. En el resto de esta section estas entradas analogicas se denominan, a efectos de la presente description, AD1, AD2 y AD5. o 1 salida digital capaz de generar ondas PWM compatibles con servomotores estandar, es decir, que esten dentro del rango de 30 a 60Hz de frecuencia y de 400 a 3000 microsegundos de ancho de pulso, ya sea por hardware al estar conectada a temporizadores internos del microcontrolador o por software. En el resto de esta seccion esta salida se denomina, a efectos de la presente descripcion, PD6. o Un modulo interno de control de comunicaciones SPI [19] que le permita al microcontrolador ser servidor de dicho bus y que disponga de 3 pines: PB5 (SPI- SCK) PB3 (SPI-MOSI) y PB4 (SPI-MISO). Ademas, estos pines deberan poder usarse como entradas o salidas digitales independientes entre si en caso de que no se active el modulo SPI del microcontrolador.individually. In the rest of this section, these analog inputs are called, for the purposes of this description, AD1, AD2 and AD5. or 1 digital output capable of generating PWM waves compatible with standard servo motors, that is, that are within the range of 30 to 60Hz frequency and 400 to 3000 microseconds of pulse width, either by hardware when connected to internal timers of the microcontroller or software. In the rest of this section this output is called, for the purposes of this description, PD6. o An internal SPI communications control module [19] that allows the microcontroller to be a server of said bus and has 3 pins: PB5 (SPI-SCK) PB3 (SPI-MOSI) and PB4 (SPI-MISO). In addition, these pins should be able to be used as independent digital inputs or outputs with each other in case the SPI module of the microcontroller is not activated.

o 2 pines de entrada de interrupciones externas al microcontrolador, independientes, configurables para disparar las interrupciones correspondientes por flanco de subida o de bajada, y con capacidad de ser utilizados como pines de entrada o salida digitales independientes si su funcionalidad como entrada de interrupciones no es necesaria. Estos pines se denominan, a efectos de la presente descripcion, PD2 y PD3. o 8 pines de salida digital independientes por los que pueda enviarse un numero de 8 bits sin signo. Se denominan, a efectos de la presente descripcion, PB2 (bit 0), PB1 (bit 1), PB0 (bit 2), PD7 (bit 3), PD5 (bit 4), PD4 (bit 5), PC4 (bit 6) y PC3 (bit 7). o 1 pin de salida digital que se denomina, a efectos de la presente descripcion, PC0. o 1 pin de entrada digital que produzca un reinicio en el microcontrolador cuando se ponga a un estado (voltaje digital) determinado. Se denomina, a efectos de la presente descripcion, RESET.or 2 independent input pins of external interruptions to the microcontroller, configurable to trigger the corresponding interruptions by rising or falling edge, and capable of being used as independent digital input or output pins if their functionality as interrupt input is not necessary. These pins are called, for the purposes of the present description, PD2 and PD3. or 8 independent digital output pins for which an unsigned 8-bit number can be sent. For the purposes of the present description, they are referred to as PB2 (bit 0), PB1 (bit 1), PB0 (bit 2), PD7 (bit 3), PD5 (bit 4), PD4 (bit 5), PC4 (bit 6 ) and PC3 (bit 7). or 1 digital output pin that is called, for the purposes of this description, PC0. or 1 digital input pin that produces a reset on the microcontroller when set to a certain state (digital voltage). It is called, for the purposes of this description, RESET.

• Disponer de una alimentation para la placa del microcontrolador mencionada en el anterior punto que pueda proporcionar al menos 500 miliamperios a una tension de 5v, que este regulada, y que sea accesible para la invencion a traves de conectores apropiados. Si se dispone de una fuente que proporcione hasta 1 amperio, el funcionamiento del servomotor sera mejor en terminos de torque, pero con 500 miliamperios tambien sera correcto y suficiente para la realization de practicas educativas.• Have a power supply for the microcontroller board mentioned at the previous point that can provide at least 500 milliamps at a voltage of 5v, which is regulated, and that is accessible for the invention through appropriate connectors. If you have a source that provides up to 1 amp, the operation of the servomotor will be better in terms of torque, but with 500 milliamps it will also be correct and sufficient for the realization of educational practices.

• Disponer del hardware y software suficientes para poder programar el microcontrolador residente en la placa mencionada en el primer punto desde un ordenador personal (PC).• Have sufficient hardware and software to be able to program the resident microcontroller on the board mentioned in the first point from a personal computer (PC).

• Si la invention se va a utilizar para practicas de aprendizaje con dispositivos externos• If the invention is to be used for learning practices with external devices

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(motores, sensores, etc.; ver el apartado del subsistema de interfaz externa), disponer de los mismos. Aun sin ellos, la invention proporciona una cantidad importante de funcionalidades que pueden ser utilizadas.(motors, sensors, etc .; see the section of the external interface subsystem), have them. Even without them, the invention provides a significant amount of functionality that can be used.

• Si la invencion se va a utilizar con dispositivos externos que requieran alimentation separada de la del microcontrolador, disponer de la misma.• If the invention is to be used with external devices that require separate power supply from the microcontroller, dispose of it.

El contexto de utilization asi descrito es suficientemente general como para que coincida con una gran diversidad de placas existentes que contienen microcontroladores (tipicamente de 8 o 16 bits, pero no solo), y se puede encontrar en numerosos laboratorios de universidades o institutos de formation profesional, e igualmente con la mayoria de los hogares, especialmente si solo se utilizan las funcionalidades incluidas en la propia invencion, sin dispositivos externos anadidos.The utilization context thus described is general enough to match a wide variety of existing boards containing microcontrollers (typically 8 or 16 bits, but not only), and can be found in numerous laboratories of universities or vocational training institutes , and also with the majority of households, especially if only the functionalities included in the invention itself are used, without external devices added.

La presente invencion se caracteriza por proveer al estudiante o alumno de una variedad de posibilidades de aprendizaje muy alta en lo relativo a los estudios de ingenieria: Control Automatico de Sistemas [3], Adquisicion de Datos [4], Automatization [5], programacion de Sistemas Empotrados y de Tiempo Real [6], [7], Robotica [8], etc. Todas esas posibilidades tienen en comun que el usuario debe programar el microcontrolador mencionado en los requisitos anteriores a traves de algun entorno de desarrollo existente (por ejemplo, para la realization preferida que se presenta en el presente documento, el Atmel Studio [9], que es gratuito, o el provisto por Arduino [10], que tambien lo es), con el fin de conseguir sus objetivos por medio de la configuration y posterior control de las distintas partes de la circuiteria que aqui se propone. Las funcionalidades que esta invencion proporciona no estan disponibles en microcontroladores comerciales por si solos, ni, en su totalidad, en las placas que suelen comercializarse para conectarlos con el fin de utilizarlos como plataformas de aprendizaje.The present invention is characterized by providing the student or student with a variety of very high learning possibilities in relation to engineering studies: Automatic Systems Control [3], Data Acquisition [4], Automation [5], programming of Embedded Systems and Real Time [6], [7], Robotics [8], etc. All these possibilities have in common that the user must program the microcontroller mentioned in the previous requirements through some existing development environment (for example, for the preferred realization presented in this document, the Atmel Studio [9], which It is free, or that provided by Arduino [10], which is also provided), in order to achieve its objectives through the configuration and subsequent control of the different parts of the circuitry proposed here. The functionalities that this invention provides are not available in commercial microcontrollers alone, nor, in their entirety, in the boards that are usually marketed to connect them in order to use them as learning platforms.

Mas concretamente, la invencion aqui presentada comprende 9 subsistemas que pueden utilizarse tanto en solitario como en diversas combinaciones, lo que da lugar al elevado numero de posibilidades de ejercicios practicos que permite.More specifically, the invention presented here comprises 9 subsystems that can be used both alone and in various combinations, which gives rise to the high number of possibilities of practical exercises that it allows.

En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques general de la invencion. En lo que queda de esta section se describen con detalle todos los subsistemas, asi como sus requisitos particulares, sus respectivas funcionalidades y sus posibles combinaciones.A general block diagram of the invention is shown in Figure 2. In the remainder of this section all subsystems are described in detail, as well as their particular requirements, their respective functionalities and their possible combinations.

Subsistema de indicadores digitalesDigital Indicators Subsystem

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En la figura 3 se muestra este subsistema. Este dota al microcontrolador de indicadores luminosos, utiles para depuration, visualization de datos y otros propositos. En particular, permite la programacion desde el microcontrolador de 8 senales luminosas binarias (ON/OFF) independientes en logica positiva.Figure 3 shows this subsystem. This provides the microcontroller with light indicators, useful for depuration, data visualization and other purposes. In particular, it allows programming from the microcontroller of 8 independent binary light signals (ON / OFF) in positive logic.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invention (tomados de los requisitos enumerados al principio de esta section para la invention completa; para simplificar no se indican los referidos a la alimentation o a la propia presencia del microcontrolador):This subsystem has the following requirements with respect to the microcontroller and the rest of the invention (taken from the requirements listed at the beginning of this section for the complete invention; to simplify those referring to the power supply or the presence of the microcontroller itself are not indicated):

• 8 pines de salida digital independientes, denominados, a efectos de la presente description, PB2 (bit 0), PB1 (bit 1), PB0 (bit 2), PD7 (bit 3), PD5 (bit 4), PD4 (bit 5), PC4 (bit 6) y PC3 (bit 7).• 8 independent digital output pins, designated, for the purpose of this description, PB2 (bit 0), PB1 (bit 1), PB0 (bit 2), PD7 (bit 3), PD5 (bit 4), PD4 (bit 5), PC4 (bit 6) and PC3 (bit 7).

La utilidad de este subsistema es diversa:The usefulness of this subsystem is diverse:

• Aprendizaje de la programacion de puertos digitales de salida de un microcontrolador, por ejemplo en asignaturas relativas a los Sistemas Empotrados o de Tiempo Real.• Learning the programming of digital output ports of a microcontroller, for example in subjects related to Embedded Systems or Real Time.

• Indicadores de traza y visualizacion de datos para la depuracion de programas. Esto es util en cualquier practica que pueda realizarse con la invencion.• Trace indicators and data visualization for debugging programs. This is useful in any practice that can be done with the invention.

• Aprendizaje de programacion de sistemas empotrados: si la realization de la invencion utiliza para los pines denominados, a efectos de la presente descripcion PB2, PB1, PB0, PD7, PD5, PD4, PC4 y PC3 mas de un puerto del microcontrolador, el programador debera configurar los indicadores al valor deseado sin modificar los demas, lo que requiere operaciones de manipulation de bits de relativa complejidad.• Learning of programming of embedded systems: if the realization of the invention uses for the so-called pins, for the purposes of the present description PB2, PB1, PB0, PD7, PD5, PD4, PC4 and PC3 more than one port of the microcontroller, the programmer You must configure the indicators to the desired value without modifying the others, which requires relatively complex bit manipulation operations.

Las senales digitales que recibe este subsistema, provenientes del microcontrolador, son las mismas que recibe el subsistema DAC explicado posteriormente, por lo que ahorramos asi 8 bits digitales adicionales en la invencion, reduciendo su coste y tamano. Este es uno de los ejemplos de reutilizacion de subsistemas y elementos en la presente invencion.The digital signals that this subsystem receives, from the microcontroller, are the same as those received by the DAC subsystem explained later, so we save 8 additional digital bits in the invention, reducing its cost and size. This is one of the examples of reuse of subsystems and elements in the present invention.

Las senales digitales estaran protegidas convenientemente con resistencias para que el consumo total de corriente en caso de que se enciendan todos los indicadores simultaneamente sea asumible por la fuente de alimentacion. Para ello se consideran LEDs de bajo consumo y alta luminosidad.The digital signals will be conveniently protected with resistors so that the total current consumption in case all the indicators light up simultaneously is assumable by the power supply. For this, LEDs of low consumption and high luminosity are considered.

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Subsistema de conversion analogica-digital (DAC)Analog-Digital Conversion Subsystem (DAC)

Muchos microcontroladores no disponen de salidas analogicas, por lo que es dificil controlar dispositivos electronicos de forma directa. La presente invention incluye un subsistema DAC (vease figura 4) encargado de transformar a un valor de voltaje analogico de entre 0v y 5v, de forma lineal, el valor digital de 8 bits existente en los mismos pines del microcontrolador que actuan como entradas del subsistema de indicadores digitales (es decir, PB2, PB1, PB0, PD7, PD5, PD4, PC4 y PC3). Se obtiene asi una resolution de 5/256 = 20mV aproximadamente en esta salida analogica.Many microcontrollers do not have analog outputs, so it is difficult to control electronic devices directly. The present invention includes a DAC subsystem (see Figure 4) in charge of transforming to an analog voltage value between 0v and 5v, in a linear way, the 8-bit digital value existing in the same microcontroller pins that act as subsystem inputs of digital indicators (ie PB2, PB1, PB0, PD7, PD5, PD4, PC4 and PC3). This gives a resolution of 5/256 = approximately 20mV at this analog output.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invencion:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• 8 pines de salida digital independientes, denominados, a efectos de la presente description, PB2 (bit 0), PB1 (bit 1), PB0 (bit 2), PD7 (bit 3), PD5 (bit 4), PD4 (bit 5), PC4 (bit 6) y PC3 (bit 7).• 8 independent digital output pins, designated, for the purpose of this description, PB2 (bit 0), PB1 (bit 1), PB0 (bit 2), PD7 (bit 3), PD5 (bit 4), PD4 (bit 5), PC4 (bit 6) and PC3 (bit 7).

• 1 pin de salida digital denominado, a efectos de la presente descripcion, PC0.• 1 digital output pin called, for the purposes of this description, PC0.

• El subsistema miscelaneo, explicado mas adelante, que proporciona una alimentation especifica de +15v.• The miscellaneous subsystem, explained below, which provides a specific power supply of + 15v.

La invencion permitira congelar el voltaje de la salida analogica durante un tiempo determinado mediante la senal digital de salida denominada, a efectos de la presente descripcion, PC0 del microcontrolador (en otro caso la conversion estara realizandose de forma continua en el tiempo). Esto permite evitar cambios indeseables y bruscos en la salida analogica mientras algunos de los bits de entrada digital del subsistema aun no han tenido tiempo de ser actualizados.The invention will allow the analog output voltage to be frozen for a certain time by means of the digital output signal called, for the purposes of the present description, PC0 of the microcontroller (otherwise the conversion will be carried out continuously over time). This allows to avoid undesirable and abrupt changes in the analog output while some of the digital input bits of the subsystem have not yet had time to be updated.

La utilidad principal de este subsistema DAC es la ya comentada de controlar sistemas externos, por ejemplo motores de corriente continua (convenientemente alimentados por separado) o LEDs (variando su luminosidad), lo que encaja perfectamente en asignaturas relativas a la Automatization, la Robotica, el Control Automatico o los Sistemas Empotrados, pero, ademas, la salida esta tambien conectada al subsistema electrico RC+RLC, descrito a continuation (el subsistema DAC es necesario para el RC+RLC), lo que permite controlar un dispositivo de cierta complejidad. Esta combination de subsistemas (DAC y RC+RLC) permite la realization de practicas de Control Automatico sin anadir ningun dispositivo mas al microcontrolador (tipicamente motores de corriente continua, aparatosos, caros y que necesitan fuentes adicionales de energia), como se describira en el siguiente apartado, reduciendo asiThe main utility of this DAC subsystem is that already mentioned to control external systems, for example DC motors (conveniently powered separately) or LEDs (varying their luminosity), which fits perfectly in subjects related to Automatization, Robotics, Automatic Control or Embedded Systems, but, in addition, the output is also connected to the RC + RLC electrical subsystem, described below (the DAC subsystem is necessary for the RC + RLC), which allows a device of certain complexity to be controlled. This combination of subsystems (DAC and RC + RLC) allows the realization of Automatic Control practices without adding any more device to the microcontroller (typically DC motors, expensive, expensive and that need additional sources of energy), as will be described in the next section, reducing like this

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enormemente el coste de equipamiento necesario en laboratories docentes.enormously the cost of necessary equipment in teaching laboratories.

Subsistema RC+RLCRC + RLC subsystem

En la figura 5 se muestra el diagrama de bloques de este subsistema, quizas el mas complejo, novedoso y con mas posibilidades de realization de practicas de aprendizaje de toda la invention.Figure 5 shows the block diagram of this subsystem, perhaps the most complex, novel and with more possibilities of realization of learning practices of the entire invention.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invencion:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• La salida analogica dada por el subsistema DAC, descrito anteriormente.• The analog output given by the DAC subsystem, described above.

• Opcionalmente, el subsistema SRAM (ver mas adelante).• Optionally, the SRAM subsystem (see below).

• 1 de entrada de voltaje analogico, denominada, a efectos de la presente description, AD2, en el rango 0/5v, dotada del conversor necesario de analogico a digital capaz de proporcionar voltajes digitalizados al software del microcontrolador con una frecuencia minima de 9KHz (por tanto, un reloj para el microcontrolador que permita esas frecuencias).• 1 analog voltage input, called, for the purposes of this description, AD2, in the range 0 / 5v, equipped with the necessary analog-to-digital converter capable of providing digitized voltages to the microcontroller software with a minimum frequency of 9KHz ( therefore, a clock for the microcontroller that allows those frequencies).

Este subsistema consiste en dos mallas de circuito electrico con elementos lineales [13]: la malla RC consta de una resistencia y un condensador en serie, por lo que si se considera como entrada el voltaje en la resistencia y como salida el voltaje en el condensador se obtiene el comportamiento de un sistema lineal de primer orden; la malla RLC consta de una resistencia, una inductancia y un condensador en serie, por lo que si se considera como entrada el voltaje en esa resistencia y como salida el del condensador se obtiene el comportamiento de un sistema lineal de segundo orden. Dentro del ambito de los circuitos electricos, estas dos mallas son la forma mas simple de obtener sistemas de primer y segundo orden.This subsystem consists of two electric circuit meshes with linear elements [13]: the RC mesh consists of a resistor and a capacitor in series, so if the voltage in the resistor is considered as input and the voltage in the capacitor as output the behavior of a first-order linear system is obtained; The RLC mesh consists of a resistor, an inductance and a capacitor in series, so if the voltage in that resistance is considered as input and that of the capacitor is obtained, the behavior of a second-order linear system is obtained. Within the scope of electrical circuits, these two meshes are the simplest way to obtain first and second order systems.

Cada una de estas mallas individualmente tiene una gran utilidad a la hora de realizar practicas sobre modelado de sistemas LTI (lineales e invariantes en el tiempo). Para este cometido se debe combinar este subsistema con la salida analogica del subsistema DAC, que se puede conectar facilmente (mediante un interruptor o selector) a la malla que se desee segun las necesidades educativas, y se debe muestrear el voltaje de salida de esa malla, guardando los valores en la memoria RAM estatica de la invencion (subsistema descrito mas adelante). Una de las novedades de este subsistema en el ambito de los dispositivos educativos reside en que los valores concretos para los componentes electricos de ambas mallas, especialmente los de laEach of these meshes individually has great utility when it comes to practice modeling of LTI systems (linear and time-invariant). For this purpose, this subsystem must be combined with the analog output of the DAC subsystem, which can be easily connected (via a switch or selector) to the desired mesh according to educational needs, and the output voltage of that mesh must be sampled , saving the values in the static RAM of the invention (subsystem described below). One of the novelties of this subsystem in the field of educational devices is that the specific values for the electrical components of both meshes, especially those of the

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inductancia de la segunda, han sido calculados para que el muestreo de la salida de cualquiera de ellas pueda realizarse de forma adecuada con un microcontrolador que tenga una frecuencia minima de conversion de analogico a digital de 9KHz (muy lenta), como se explicaba en los requisitos de la invention al principio de esta section, es decir, con un numero de muestras por unidad de tiempo suficientemente grande como para poder apreciar las caracteristicas principales del comportamiento de la malla y que no se produzca aliasing [14]. Debido a que los circuitos electricos suelen tener respuestas temporales muy rapidas, no existen demasiadas posibilidades de valores para los componentes electricos de las mallas que permitan conseguir respuestas tan lentas. Los siguientes han sido los componentes escogidos para la primera malla: R =100 ohmios, C entre 2pF y 21.7pF (seleccionable segun se explica a continuation); para la segunda malla: R entre 0 y 500 ohmios (variable linealmente), L = 47mH y C = 1pF.The second inductance has been calculated so that the sampling of the output of any of them can be done properly with a microcontroller that has a minimum analog to digital conversion frequency of 9KHz (very slow), as explained in the requirements of the invention at the beginning of this section, that is, with a number of samples per unit of time large enough to be able to appreciate the main characteristics of the mesh behavior and that aliasing does not occur [14]. Because the electrical circuits usually have very fast temporal responses, there are not too many possibilities of values for the electrical components of the meshes that allow to obtain such slow responses. The following have been the components chosen for the first mesh: R = 100 ohms, C between 2pF and 21.7pF (selectable as explained below); for the second mesh: R between 0 and 500 ohms (linearly variable), L = 47mH and C = 1pF.

Ademas del modelado y description temporal de sistemas de primer y segundo orden, ambas mallas permiten la realization de practicas de Control Automatico, es decir, el usuario puede variar la senal analogica que produce el DAC en funcion de la salida de la malla, regulando asi su comportamiento, lo cual constituye otra novedad aportada por este subsistema en el ambito de los dispositivos educativos. Para este cometido es importante constatar que la salida del DAC estara entre 0 y 5v, y que ambas mallas tienen ganancia unitaria, por lo que sus salidas podrian ser mayores de 5v aunque el DAC solo llegue a 5v. Por tanto, debe considerarse que esas salidas pueden saturarse en 5v (para no saturarlas, basta con hacer que el DAC produzca menos de 5v).In addition to the modeling and temporal description of first and second order systems, both meshes allow the realization of Automatic Control practices, that is, the user can vary the analog signal produced by the DAC based on the mesh output, thus regulating its behavior, which constitutes another novelty contributed by this subsystem in the field of educational devices. For this purpose it is important to verify that the output of the DAC will be between 0 and 5v, and that both meshes have a unit gain, so that their outputs could be greater than 5v even if the DAC only reaches 5v. Therefore, it should be considered that these outputs can be saturated in 5v (not to saturate them, it is enough to make the DAC produce less than 5v).

La malla RC, como se ha indicado antes, debe configurarse manualmente mediante un par de interruptores. Estos sirven para seleccionar un valor del condensador de un conjunto de 4 valores distintos: 2pF, 6.7pF, 17pF o 21.7pF, por lo que se pueden establecerse constantes de tiempo distintas para el sistema y variar asi su comportamiento, dentro de lo que el microcontrolador sera capaz de muestrear, obteniendo diversas respuestas de primer orden.The RC mesh, as indicated above, must be configured manually using a pair of switches. These serve to select a capacitor value from a set of 4 different values: 2pF, 6.7pF, 17pF or 21.7pF, so you can set different time constants for the system and thus vary its behavior, within which the Microcontroller will be able to sample, obtaining various first-order responses.

La malla RLC tambien debe configurarse, con el mismo objetivo: su resistencia es variable (es un potenciometro) para que el usuario puede cambiar su comportamiento comodamente.The RLC mesh must also be configured, with the same objective: its resistance is variable (it is a potentiometer) so that the user can change his behavior comfortably.

Ademas de funcionar por separado, de modo que el usuario puede escoger que malla utilizar (pero solo una a la vez), ambas mallas pueden interconectarse, si se desea no utilizarlas de forma individual, de forma que constituyan un sistema electrico de tercer orden, lo que constituye la tercera novedad importante aportada por este subsistema en el ambito de los dispositivos educativos. Asi, la primera malla se convertiria en una etapa anterior a la segunda. Esto se realiza mediante los selectores 1 y 2 (vease de nuevo la figura 5). En su formato de sistema de tercer orden, poder cambiar el valor del condensador de la primera malla (RC) es muy importante paraIn addition to operating separately, so that the user can choose which mesh to use (but only one at a time), both meshes can be interconnected, if one wishes not to use them individually, so that they constitute a third-order electrical system, what constitutes the third important novelty contributed by this subsystem in the field of educational devices. Thus, the first mesh would become a stage before the second. This is done using selectors 1 and 2 (see Figure 5 again). In its third-order system format, being able to change the value of the first mesh capacitor (RC) is very important for

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la realization de practicas educativas, ya que permite variar el comportamiento de la salida del sistema, desde que se parezca mucho a un segundo orden (valores pequenos del condensador) hasta que aparezca el comportamiento propio del tercer orden (valores mayores del condensador). Esto permite la realization de practicas de aproximacion de sistemas mediante la identification de polos dominantes [3].the realization of educational practices, since it allows to vary the behavior of the output of the system, since it closely resembles a second order (small capacitor values) until the behavior of the third order (larger capacitor values) appears. This allows the realization of systems approach practices by identifying dominant poles [3].

Por ultimo, hay que senalar que la primera malla tendra a su entrada un buffer que recibira la senal de salida del DAC y la replicara sin cambios. Este buffer es necesario para proporcionar la potencia necesaria por ambas mallas (en caso de que se conecten en serie para formar el tercer orden) o por cualquiera de ellas por separado; en particular, dara un minimo de 100 mA.Finally, it should be noted that the first mesh will have at its entrance a buffer that will receive the output signal from the DAC and replicate it without changes. This buffer is necessary to provide the power required by both meshes (in case they are connected in series to form the third order) or by any of them separately; in particular, it will give a minimum of 100 mA.

Asimismo, la salida final, que puede ser muestreada por el microcontrolador, debe seleccionarse para que sea la de la primera malla, la de la segunda o bien la del propio buffer sin pasar por ninguna malla, de nuevo mediante los selectores 1 y 2. La option de que sea la del propio buffer permite calibrar la invention, en particular a que voltajes analogicos corresponde el valor digital enviado al DAC y a que valores digitales corresponde el valor analogico recibido por desde el buffer. Ademas, estara protegida por dos diodos de corte para que los voltajes por encima de 5v o por debajo de 0v no lleguen a la entrada analogica del microcontrolador.Also, the final output, which can be sampled by the microcontroller, must be selected to be that of the first mesh, the second or the buffer itself without going through any mesh, again using selectors 1 and 2. The option to be that of the buffer itself allows the invention to be calibrated, in particular to which analog voltages correspond to the digital value sent to the DAC and to which digital values the analog value received by the buffer corresponds. In addition, it will be protected by two cutting diodes so that voltages above 5v or below 0v do not reach the analog input of the microcontroller.

En resumen, este subsistema, gracias a su gran flexibilidad, a la election cuidadosa de los componentes electronicos y de los pines del microcontrolador involucrados, y a su combinacion con otros subsistemas de la misma invention (el subsistema DAC de forma obligatoria, el subsistema RAM de forma opcional), proporciona la posibilidad de realizar un numeroso y novedoso conjunto de practicas de aprendizaje en ingenieria, con solo dos selectores y una resistencia variable como mecanismos de configuration como mecanismo minimo de configuration, y a un coste excepcionalmente reducido:In summary, this subsystem, thanks to its great flexibility, the careful choice of the electronic components and the microcontroller pins involved, and their combination with other subsystems of the same invention (the DAC subsystem mandatory, the RAM subsystem of optional), it provides the possibility of carrying out a numerous and innovative set of engineering learning practices, with only two selectors and a variable resistance as configuration mechanisms as a minimum configuration mechanism, and at an exceptionally reduced cost:

• Modelado, identification y estudio de la respuesta temporal de sistemas LTI de primer orden, segundo orden y orden superior en asignaturas relativas al Control Automatico y la Ingenieria de Sistemas, con una diversidad de comportamientos seleccionables manualmente.• Modeling, identification and study of the temporal response of first order, second order and higher order LTI systems in subjects related to Automatic Control and Systems Engineering, with a variety of manually selectable behaviors.

• Adquisicion de datos y muestreo de la salida de sistemas LTI electricos por medio de microcontrolador, para asignaturas relativas al Control Automatico, la Adquisicion de Datos y los Sistemas de Tiempo Real.• Data acquisition and sampling of the output of electric LTI systems by means of a microcontroller, for subjects related to Automatic Control, Data Acquisition and Real Time Systems.

• Estudio de la estabilidad y error en estado estacionario de sistemas LTI, asi como de su comportamiento transitorio mediante lugar de las raices, para asignaturas relativas al Control Automatico.• Study of the stability and error in steady state of LTI systems, as well as their transitory behavior by means of roots, for subjects related to Automatic Control.

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• Implementation de distintos tipos de leyes de control lineal y no lineal para sistemas LTI, en asignaturas relativas al Control Automatico, a los Sistemas de Tiempo Real y a los Sistemas Empotrados.• Implementation of different types of linear and non-linear control laws for LTI systems, in subjects related to Automatic Control, Real Time Systems and Embedded Systems.

No se encuentra actualmente en el mercado circuiteria de extension de microcontroladores con estas prestaciones en cuanto al aprendizaje y con este coste (y tamano) de fabrication.There is currently no microcontroller extension circuitry in the market with these benefits in terms of learning and with this cost (and size) of fabrication.

Subsistema de interfaz externaExternal interface subsystem

Este subsistema se muestra como diagrama de bloques en la figura 6. Es la parte de la invention que permite utilizar dispositivos externos adicionales cuando se desee (lo cual no tiene por que ser necesario, como se ha descrito ya) para la realization de un numero en principio ilimitado de nuevas practicas. Esta funcionalidad tampoco suele estar presente en dispositivos educativos existentes (y, en caso de encontrarse, no va acompanada del resto de funcionalidades de la presente invention). Para ello se ha disenado una interfaz electrica de entrada y otra de salida que funcionan en el rango de voltajes de ±10v. Hay una gran diversidad de dispositivos externos que funcionan analogicamente en ese rango (o en rangos contenidos en ese): motores, sensores, indicadores y otra circuiteria electronica. Este subsistema permite generar una senal analogica de ±10v hacia esos dispositivos y, simultaneamente, recibir otra senal en el mismo rango de voltaje desde los mismos, por lo que es posible cerrar un bucle de control que haya sido implementado en el microcontrolador. Hay que tener en cuenta que ambas senales no proporcionan potencia, por lo que el dispositivo externo conectado a la invention debe ser alimentado aparte.This subsystem is shown as a block diagram in Figure 6. It is the part of the invention that allows the use of additional external devices when desired (which does not have to be necessary, as already described) for the realization of a number in principle unlimited new practices. This functionality is also not usually present in existing educational devices (and, if found, is not accompanied by the rest of the functionalities of the present invention). For this, an electrical input and an output interface have been designed that operate in the voltage range of ± 10v. There is a great diversity of external devices that work analogically in that range (or in ranges contained therein): motors, sensors, indicators and other electronic circuitry. This subsystem allows to generate an analog signal of ± 10v towards those devices and, simultaneously, to receive another signal in the same voltage range from them, so it is possible to close a control loop that has been implemented in the microcontroller. Keep in mind that both signals do not provide power, so the external device connected to the invention must be powered separately.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invencion:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• La salida analogica dada por el subsistema DAC, descrito anteriormente.• The analog output given by the DAC subsystem, described above.

• El subsistema miscelaneo, descrito mas adelante.• The miscellaneous subsystem, described below.

• Opcionalmente, el subsistema SRAM.• Optionally, the SRAM subsystem.

• 1 de entrada de voltaje analogico, denominada, a efectos de la presente description, AD1, en el rango 0/5v dotada del conversor necesario de analogico a digital capaz de proporcionar voltajes digitalizados al software del microcontrolador con una frecuencia minima de 9KHz (por tanto, un reloj para el microcontrolador que permita esas frecuencias).• 1 analog voltage input, called, for the purposes of this description, AD1, in the range 0 / 5v equipped with the necessary analog-to-digital converter capable of providing digitized voltages to the microcontroller software with a minimum frequency of 9KHz (per therefore, a clock for the microcontroller that allows those frequencies).

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La senal de salida generada se produce a partir de la salida analogica del subsistema DAC, el cual es necesario siempre que se utilice este subsistema de interfaz externa (otro ejemplo de reutilizacion de subsistemas para diversos propositos en la presente invention). La salida del subsistema DAC se hace pasar por un primer buffer para desacoplar el DAC del subsistema de interfaz, y luego por un amplificador operacional que la escala y desplaza para obtener el rango deseado de ±10v (para ello se tendra disponible un voltaje de referencia en la misma invencion). Por otra parte, la senal de ±10v proveniente de los dispositivos externos se pasa por dos amplificadores operacionales que la escalan y desplazan hasta el rango de 0v a 5v, el cual entra en el pin analogico denominado, a efectos de la presente description, AD1 del microcontrolador, que la invencion tendra convenientemente protegido (tambien aqui hace falta un voltaje de referencia).The generated output signal is produced from the analog output of the DAC subsystem, which is necessary whenever this external interface subsystem is used (another example of subsystem reuse for various purposes in the present invention). The output of the DAC subsystem is passed through a first buffer to decouple the DAC from the interface subsystem, and then through an operational amplifier that scales and displaces it to obtain the desired range of ± 10v (for this a reference voltage will be available in the same invention). On the other hand, the ± 10v signal from external devices is passed through two operational amplifiers that scale and move it to the range of 0v to 5v, which enters the analog pin called, for the purposes of this description, AD1 of the microcontroller, which the invention will have conveniently protected (a reference voltage is also needed here).

Para reducir el coste de la invencion, ambos caminos, entrada y salida, pueden reutilizar un mismo voltaje de referencia de 1.25v para sus calculos de escalado y desplazamiento; en ese caso la salida del DAC, aunque puede estar entre 0v y 5v, deberia limitarse por parte del usuario al rango de 0v a 2.5v (pasando de 256 a 128 posibles voltajes analogicos), ya que voltajes superiores saturaran la senal producida hacia el exterior a +10v. Si se implementara la invencion con dos voltajes de referencia distintos, esto no sucederia.To reduce the cost of the invention, both paths, input and output, can reuse the same reference voltage of 1.25v for their scaling and displacement calculations; in that case the output of the DAC, although it can be between 0v and 5v, should be limited by the user to the range of 0v to 2.5v (from 256 to 128 possible analog voltages), since higher voltages will saturate the signal produced towards the outside at + 10v. If the invention were implemented with two different reference voltages, this would not happen.

Hay que hacer notar que la senal de entrada recibida por la parte del subsistema encargada de trasladar de ±10v a 0v-5v (camino de entrada) comparte el pin denominado, a efectos de la presente descripcion, AD1 con otra senal producida por el subsistema servo, descrito a continuation; para seleccionar cual de ellas quiere leer, el usuario dispone de un interruptor manual. Esto se ha disenado asi porque las practicas que pueden realizarse con el subsistema de interfaz externa no necesitan el subsistema servo (ambos no tienen mucho sentido de forma combinada para practicas educativas), por lo que ambas senales no van a leerse al mismo tiempo.It should be noted that the input signal received by the part of the subsystem responsible for transferring from ± 10v to 0v-5v (input path) shares the pin called, for the purposes of this description, AD1 with another signal produced by the subsystem servo, described below; To select which one you want to read, the user has a manual switch. This has been designed like this because the practices that can be performed with the external interface subsystem do not need the servo subsystem (both do not make much sense in combination for educational practices), so both signals are not going to be read at the same time.

Finalmente, ambos caminos de conversion de voltaje necesitan una alimentation de ±15v. Esta es producida por el subsistema miscelaneo descrito mas adelante, el cual, al igual que el DAC, es esencial para que este subsistema de interfaz externa funcione. Para producir este voltaje la invencion utiliza unicamente la alimentacion de 5v que tiene disponible segun los requisitos que se explicaron al comienzo de esta seccion.Finally, both voltage conversion paths need a power supply of ± 15v. This is produced by the miscellaneous subsystem described below, which, like the DAC, is essential for this external interface subsystem to work. To produce this voltage, the invention uses only the 5v power supply that is available according to the requirements explained at the beginning of this section.

En definitiva, este subsistema de interfaz externa permite trabajar, si se desea, con un numero muy elevado de dispositivos adicionales a la invencion, y realizar practicas tanto de modelado e identification de los mismos (usando opcionalmente el subsistema SRAM para la adquisicion deIn short, this external interface subsystem allows to work, if desired, with a very high number of additional devices to the invention, and to perform both modeling and identification practices thereof (optionally using the SRAM subsystem for the acquisition of

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datos) como de control directo por medio del microcontrolador. Asimismo, permite la realization de experiencias de Adquisicion de Datos, programacion de Sistemas Empotrados, Sistemas de Tiempo Real, Robotica, etc.data) as direct control through the microcontroller. It also allows the realization of experiences of Data Acquisition, Programming of Embedded Systems, Real Time Systems, Robotics, etc.

Subsistema servoServo subsystem

En la figura 7 se muestra el diagrama de este subsistema, encargado de permitir el control de servomotores de radiocontrol [16] externos (no incluidos en la invention) mediante un pin de salida digital del microcontrolador, concretamente el pin denominado, a efectos de la presente description, PD6, por el que pueda generarse una senal PWM tal y como se establece en los requisitos del microcontrolador especificados al principio de esta seccion.Figure 7 shows the diagram of this subsystem, in charge of allowing the control of external radiocontrol servomotors [16] (not included in the invention) by means of a digital output pin of the microcontroller, specifically the so-called pin, for the purpose of present description, PD6, whereby a PWM signal can be generated as set forth in the microcontroller requirements specified at the beginning of this section.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invencion:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• 1 entrada de voltaje analogico, denominada, a efectos de la presente descripcion, AD1, en el rango 0/5v dotada del conversor necesario de analogico a digital capaz de proporcionar voltajes digitalizados al software del microcontrolador con una frecuencia minima de 9KHz (por tanto, un reloj para el microcontrolador que permita esas frecuencias).• 1 analog voltage input, called, for the purposes of this description, AD1, in the 0 / 5v range equipped with the necessary analog-to-digital converter capable of providing digitized voltages to the microcontroller software with a minimum frequency of 9KHz (therefore , a clock for the microcontroller that allows those frequencies).

• 1 salida digital denominada, a efectos de la presente descripcion, PD6 capaz de generar ondas PWM compatibles con servomotores estandar, es decir, que esten dentro del rango de 30 a 60Hz de frecuencia y de 400 a 3000 microsegundos de ancho de pulso, ya sea por hardware al estar conectada a temporizadores internos del microcontrolador o por software.• 1 digital output called, for the purposes of this description, PD6 capable of generating PWM waves compatible with standard servomotors, that is, within the range of 30 to 60Hz frequency and 400 to 3000 microseconds of pulse width, and either by hardware when connected to internal microcontroller timers or by software.

• Opcionalmente, el subsistema SRAM.• Optionally, the SRAM subsystem.

La novedad que proporciona este subsistema respecto a soluciones educativas existentes es su aprovechamiento de la onda PWM para controlar una gran diversidad de componentes (normalmente solo pueden controlarse servos de radiocontrol), asi como la posibilidad de monitorizar el consumo electrico de los mismos; ambas se describen con mas detalle a continuation.The novelty that this subsystem provides with respect to existing educational solutions is its use of the PWM wave to control a great diversity of components (normally only radio control servos can be controlled), as well as the possibility of monitoring their electrical consumption; Both are described in more detail below.

Este subsistema recibe la senal PWM del microcontrolador y la utiliza para dos fines: en primer lugar, para hacer parpadear un LED, lo que permite realizar practicas de programacion de temporizadores e incluso utilizar ese LED como indicador de traza y depuration, anadido a los 8 LEDs del subsistema de indicadores digitales ya explicado; en segundo lugar, y principal, para enviar la PWM simultaneamente a una serie de conectores fisicos donde se pueden unir diversosThis subsystem receives the PWM signal from the microcontroller and uses it for two purposes: first, to blink an LED, which allows you to perform timer programming practices and even use that LED as a trace and depuration indicator, added at 8 LEDs of the digital indicator subsystem already explained; secondly, and principally, to send the PWM simultaneously to a series of physical connectors where various

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tipos de servomotores. La invention proporciona tres conectores distintos para este fin, puesto que con tal numero se cubren en la practica todos los dispositivos que pueden controlarse con una PWM: uno para servomotores que utilicen conectores de formato G-V-S (tierra- alimentacion-senal), otro para servomotores que utilicen el formato de conector V-G-S, y el ultimo para cargas generales que puedan recibir una senal de potencia comandada por una PWM. Los dos primeros conectores cubren la practica totalidad de formatos de conector de servomotores de radiocontrol existentes en el mercado. El tercero permite la conexion directa de cualquier carga diferente de un servomotor (motores, bombillas, etc.) que pueda ser controlada con una senal conmutada (PWM) sobre un rail de potencia, de hasta un maximo del amperaje que pueda proporcionar la fuente de alimentation que use la invention (por ejemplo, 1A). Los servomotores de radiocontrol disponen de un sistema parecido de control de potencia en su interior, por lo que no necesitan de este conector; disponer del mismo permite realizar practicas adicionales de Electronica, Control Automatico, etc.types of servomotors. The invention provides three different connectors for this purpose, since with that number all the devices that can be controlled with a PWM are covered in practice: one for servomotors using GVS (ground-feed-signal) format connectors, another for servo motors using the VGS connector format, and the latter for general loads that can receive a power signal commanded by a PWM. The first two connectors cover almost all connector formats of radiocontrol servomotors in the market. The third allows the direct connection of any load other than a servomotor (motors, bulbs, etc.) that can be controlled with a switched signal (PWM) on a power rail, up to a maximum of the amperage that the source of power can provide. feed using the invention (for example, 1A). Radiocontrol servomotors have a similar power control system inside, so they do not need this connector; having it allows you to perform additional practices of Electronics, Automatic Control, etc.

Este subsistema tiene ademas una parte encargada de filtrar la alimentation de 5v que le envia al servo; su cometido es evitar la propagation de ruidos y bajadas de tension entre el propio servo y la invencion (los servomotores, como dispositivos electromecanicos, son proclives a causar ese tipo de problemas). La invention permite que servos de tamano convencional sean alimentados directamente desde la placa del microcontrolador. En cualquier caso, el subsistema incluye un fusible rearmable en el camino de alimentation del servo para situaciones excepcionales.This subsystem also has a part in charge of filtering the 5v power supply that it sends to the servo; Its purpose is to prevent the propagation of noise and voltage drops between the servo itself and the invention (servo motors, such as electromechanical devices, are prone to cause such problems). The invention allows conventional size servos to be fed directly from the microcontroller board. In any case, the subsystem includes a rearmable fuse in the servo feed path for exceptional situations.

Finalmente, como ya se ha comentado, este subsistema tambien dispone, de forma novedosa, de un sensor de consumo de corriente del servo, situado en el camino de alimentation del mismo, e implementado mediante una resistencia shunt de pequeno valor mas un amplificador de voltaje. Este sensor proporciona un voltaje analogico de entre 0v y 5v que es proporcional a la corriente que el servo esta consumiendo en cada momento (considerando que la maxima sea de 1A aproximadamente), y, por tanto, proporcional tambien al torque que este esta ejerciendo. Los datos asi adquiridos pueden almacenarse a lo largo del tiempo utilizando el subsistema SRAM. Para adquirirlos, la senal analogica de este sensor se puede conectar al pin denominado, a efectos de la presente description, AD1 (analogico de entrada del microcontrolador) mencionado en los requisitos de la invencion al principio de esta seccion, usando para ello un interruptor que selecciona o bien esta o bien la senal de entrada del subsistema de interfaz externa. La disponibilidad de la senal de consumo de corriente del servo permite la realizacion de practicas sobre Sistemas de Tiempo Real, Sistemas Empotrados, Sistemas de Control Automatico,Finally, as already mentioned, this subsystem also has, in a new way, a servo current consumption sensor, located in the power supply path, and implemented by means of a small value shunt resistor plus a voltage amplifier . This sensor provides an analog voltage between 0v and 5v that is proportional to the current that the servo is consuming at all times (considering that the maximum is approximately 1A), and, therefore, also proportional to the torque it is exerting. The data thus acquired can be stored over time using the SRAM subsystem. To acquire them, the analog signal of this sensor can be connected to the pin called, for the purposes of this description, AD1 (analog input of the microcontroller) mentioned in the requirements of the invention at the beginning of this section, using for this purpose a switch that select either this or the input signal of the external interface subsystem. The availability of the servo current consumption signal allows the realization of practices on Real Time Systems, Embedded Systems, Automatic Control Systems,

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Adquisicion de Datos, Robotica (robots con patas, por ejemplo), etc.Data Acquisition, Robotics (robots with legs, for example), etc.

Subsistema potenciometroPotentiometer Subsystem

Este subsistema tan sencillo se muestra en la figura 8: se trata de un potenciometro lineal que permite que el usuario, manualmente, establezca el valor de una resistencia y, a traves de la misma, el de un divisor de tension, generando asi una senal de voltaje analogico de entre 0v y 5v que esta conectado al pin denominado, a efectos de la presente description, AD5 que se establece como requisito del microcontrolador (entrada analogica). Este subsistema solo necesita la alimentation de 5v que se conectara a la invention e incluye protecciones contra cortocircuitos. El potenciometro en cuestion sera de pequeno tamano para no perjudicar al factor de tamano de la invencion, y de mastil corto para no sobresalir demasiado del circuito completo.This simple subsystem is shown in Figure 8: it is a linear potentiometer that allows the user to manually set the value of a resistor and, through it, that of a voltage divider, thus generating a signal of analog voltage between 0v and 5v that is connected to the pin called, for the purposes of this description, AD5 which is established as a requirement of the microcontroller (analog input). This subsystem only needs the 5v power supply that will be connected to the invention and includes protections against short circuits. The potentiometer in question will be of small size so as not to harm the size factor of the invention, and short mast so as not to overhang the entire circuit.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invencion:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• 1 entrada de voltaje analogico, denominada, a efectos de la presente descripcion, AD5, en el rango 0/5v dotada del conversor necesario de analogico a digital capaz de proporcionar voltajes digitalizados al software del microcontrolador con una frecuencia minima de 9KHz (por tanto, un reloj para el microcontrolador que permita esas frecuencias).• 1 analog voltage input, called, for the purposes of the present description, AD5, in the 0 / 5v range equipped with the necessary analog to digital converter capable of providing digitized voltages to the microcontroller software with a minimum frequency of 9KHz (therefore , a clock for the microcontroller that allows those frequencies).

La utilidad de este subsistema es la de realizar practicas sencillas de adquisicion de datos, de programacion de sistemas empotrados, de control automatico y automatization (como entrada analogica o parametro de configuration de sistemas), etc., asi como el poder implementar practicas complejas de forma mas sencilla mediante la simplification de alguna entrada analogica, al poder ser sustituida esta por el potenciometro.The usefulness of this subsystem is to perform simple practices of data acquisition, programming of embedded systems, automatic control and automation (such as analog input or system configuration parameter), etc., as well as being able to implement complex practices of Easier way by simplifying some analog input, to be able to be replaced this by the potentiometer.

Subsistema de pulsadoresPush Button Subsystem

Este subsistema tambien es muy sencillo, como se observa en la figura 9. La invencion incluye aqui 3 pulsadores que el usuario puede utilizar para introducir datos o information digital. Estan conectados a tres entradas digitales del microcontrolador, concretamente a las que se denominan, a efectos de la presente descripcion, PB4, PB3 y PD2 en la especificacion de requisitos. Hay que hacer notar que los dos primeros pines se comparten con el subsistema SRAM de forma obligada; por ello estan convenientemente protegidos contra cortocircuitos o interferencias no deseadas entre ambos subsistemas en la presente invencion.This subsystem is also very simple, as seen in Figure 9. The invention includes here 3 buttons that the user can use to enter data or digital information. They are connected to three digital inputs of the microcontroller, specifically those that are called, for the purposes of this description, PB4, PB3 and PD2 in the requirements specification. It should be noted that the first two pins are shared with the SRAM subsystem in a mandatory manner; therefore, they are conveniently protected against unwanted short circuits or interference between both subsystems in the present invention.

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Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invention:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• 2 senales digitales de entrada denominadas, a efectos de la presente description, PB3 y PB4 independientes entre si.• 2 digital input signals named, for the purposes of this description, PB3 and PB4 independent of each other.

• 1 pin de entrada de interrupciones externas denominado, a efectos de la presente description, PD2.• 1 external interrupt input pin called, for the purposes of this description, PD2.

Los tres pulsadores pueden utilizarse en multitud de practicas, como indication por parte del usuario de que el sistema puede pasar a otro estado, como senal para el comienzo o fin de practicas que traten con otros subsistemas, o como entrada simple de datos. Para leer el estado de cualquiera de ellos se puede acceder a los correspondientes registros del microcontrolador, es decir, mediante espera activa, pero, ademas, el pulsador asociado al pin denominado, a efectos de la presente description, PD2 puede utilizarse como entrada de interruption externa, ya que en los requisitos que se han especificado ese pin tiene tambien la funcionalidad de interruption. Por tanto, ese pulsador puede disparar eventos. Su utilidad se amplia asi a practicas de programacion de Sistemas Empotrados y de Sistemas de Tiempo Real, entre otras.The three buttons can be used in a multitude of practices, as an indication by the user that the system can move to another state, as a signal for the beginning or end of practices dealing with other subsystems, or as a simple data entry. To read the status of any of them, the corresponding microcontroller registers can be accessed, that is, by active waiting, but, in addition, the button associated to the so-called pin, for the purpose of this description, PD2 can be used as an interruption input external, since in the requirements that have been specified that pin also has the functionality of interruption. Therefore, that button can trigger events. Its usefulness is thus extended to practices of Programming of Embedded Systems and Real-Time Systems, among others.

Subsistema SRAMSRAM subsystem

La invention incluye un subsistema que permite ampliar la capacidad de almacenamiento en memoria RAM del microcontrolador, que habitualmente suele ser demasiado escasa como para realizar adquisicion de un volumen de datos relevante. Esto es asimismo una novedad de la presente invention respecto a las soluciones existentes en el ambito de los dispositivos educativos. En la figura 10 se observa como este subsistema dota a la placa de esta memoria RAM estatica adicional. Hemos seleccionado memoria estatica para evitar la necesidad de circuiteria o software adicional que se tenga que ocupar del refresco periodico de su contenido [18]. Su tamano de almacenamiento puede ser cualquiera que convenga a la fabrication de la invention y al uso de este subsistema para labores de recogida de datos.The invention includes a subsystem that allows to expand the storage capacity in RAM of the microcontroller, which is usually too low to acquire a relevant volume of data. This is also a novelty of the present invention with respect to the existing solutions in the field of educational devices. Figure 10 shows how this subsystem provides the board with this additional static RAM. We have selected static memory to avoid the need for additional circuitry or software that has to deal with the periodic refreshment of its content [18]. Its storage size can be any that suits the fabrication of the invention and the use of this subsystem for data collection tasks.

Este subsistema tiene los siguientes requisitos respecto del microcontrolador y del resto de la invencion:This subsystem has the following requirements regarding the microcontroller and the rest of the invention:

• Un modulo interno de control de comunicaciones SPI [19] que le permita al microcontrolador ser servidor de dicho bus y que disponga de 3 pines denominados, a efectos de la presente description, PB5 (SPI-SCK) PB3 (SPI-MOSI) y PB4 (SPI-MISO).• An internal SPI communications control module [19] that allows the microcontroller to be a server of said bus and that has 3 so-called pins, for the purposes of this description, PB5 (SPI-SCK) PB3 (SPI-MOSI) and PB4 (SPI-MISO).

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• 1 pin de salida digital denominado, a efectos de la presente description, PD2.• 1 digital output pin called, for the purposes of this description, PD2.

Este subsistema puede utilizarse en una diversidad de practicas, especialmente en aquellas que involucren adquisicion de datos (algunas ya comentadas en apartados anteriores, relativas al Control Automatico, por ejemplo), pero tambien para la realization de dos tipos de ejercicios particulares, lo cual aumenta aun mas las funcionalidades educativas de la invention: el estudio de los aspectos de tiempo real de la adquisicion de datos, ya que esa memoria exhibe unos tiempos de retardo concretos y medibles por el microcontrolador durante su funcionamiento, y la practica con el bus de comunicaciones serie SPI para sistemas empotrados, que es el que usa la invention para comunicar al microcontrolador con la memoria. Ambos estudios tienen perfecta cabida en asignaturas relativas a los Sistemas de Tiempo Real y a la programacion de Sistemas Empotrados.This subsystem can be used in a variety of practices, especially those that involve data acquisition (some already mentioned in previous sections, related to Automatic Control, for example), but also for the realization of two types of particular exercises, which increases even more the educational functionalities of the invention: the study of the real-time aspects of data acquisition, since that memory exhibits specific and measurable delay times by the microcontroller during its operation, and practices it with the communications bus SPI series for embedded systems, which is what the invention uses to communicate the microcontroller with memory. Both studies have a perfect place in subjects related to Real Time Systems and Recessed Systems programming.

La invention esta disenada de forma que las comunicaciones del subsistema SRAM con el microcontrolador pueden deshabilitarse mediante el pin denominado, a efectos de la presente description, PD2 de salida digital del mismo, por lo que asi pueden reutilizarse los pines denominados, a efectos de la presente description, PB4 y PB3 para el subsistema de pulsadores, sin problemas de colision con el bus SPI mientras la SRAM este deshabilitada (los datos guardados en la misma no se pierden por ello).The invention is designed so that communications of the SRAM subsystem with the microcontroller can be disabled by means of the pin called, for the purposes of this description, PD2 of digital output thereof, so that the so-called pins can be reused, for the purpose of present description, PB4 and PB3 for the push button subsystem, without problems of collision with the SPI bus while the SRAM is disabled (the data stored in it is not lost because of it).

La SRAM solo necesita la alimentation de 5v disponible para la invention y unas resistencias de proteccion ante cortocircuitos.The SRAM only needs the 5v power supply available for the invention and a short circuit protection resistors.

Subsistema miscelaneoMiscellaneous Subsystem

La presente invencion se completa con algunos componentes mas que hemos agrupado en un subsistema miscelaneo, los cuales dan soporte a los demas de diversas formas. Este subsistema incluye (vease la figura 11):The present invention is completed with some more components that we have grouped into a miscellaneous subsystem, which support others in various ways. This subsystem includes (see Figure 11):

• Un circuito de filtrado que evita ruidos y caidas de tension en la alimentation que la invention usa. La salida de este circuito son los 5v (y la tierra) que alimentan al resto de subsistemas descritos anteriormente. Dispone tambien de un fusible rearmable para situaciones excepcionales de consumo electrico, asi como de un LED indicador de la alimentation. El filtro es un elemento esencial de la invention, mientras que el fusible rearmable y el LED indicador son opcionales.• A filtering circuit that avoids noise and voltage drops in the feed that the invention uses. The output of this circuit is the 5v (and the earth) that feed the rest of the subsystems described above. It also has a resettable fuse for exceptional power consumption situations, as well as a power supply LED. The filter is an essential element of the invention, while the resettable fuse and the indicator LED are optional.

• Un conversor DC/DC que transforma los 5v del filtro anterior en una alimentation de• A DC / DC converter that transforms the 5v of the previous filter into a power supply

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±15v, necesaria para el subsistema de interfaz externa, como se comento anteriormente.± 15v, necessary for the external interface subsystem, as discussed above.

• Un pulsador que activa la senal RESET del microcontrolador. Este pulsador es necesario solamente cuando la invention se realice de tal forma que oculte al microcontrolador y evite la posibilidad de reiniciarlo (como sucede en la realization preferida, descrita mas adelante).• A button that activates the RESET signal of the microcontroller. This button is necessary only when the invention is carried out in such a way that it conceals the microcontroller and avoids the possibility of restarting it (as in the preferred embodiment, described below).

• Una replica de los nombres de los pines que el microcontrolador proporciona a la invencion (segun los requisitos que establecimos al principio de esta section), segun la nomenclatura del fabricante del mismo. De esta forma se facilita la realizacion de practicas de programacion de sistemas empotrados con ese microcontrolador.• A replica of the names of the pins that the microcontroller provides to the invention (according to the requirements established at the beginning of this section), according to the manufacturer's nomenclature. This facilitates the realization of practices of programming of embedded systems with this microcontroller.

• Un puente electrico que conecta, de forma convenientemente protegida (con una resistencia), los pines denominados, a efectos de la presente description, PD6 y PD3 que el microcontrolador debe tener segun nuestros requisitos. Como ya se ha comentado anteriormente, el primero de ellos es un pin de salida digital y tambien el pin que proporciona la salida PWM para el subsistema servomotor, mientras que el segundo es un pin que recibe una de las interrupciones externas del microcontrolador. El motivo de reusar ambos para interconectarlos de esta manera es habilitar la posibilidad de que el usuario pueda detectar mediante esa interruption las bajadas o subidas de la senal PWM, utilizada principalmente en el subsistema servo, y actuar en consecuencia. Esto es util en practicas de Sistemas Empotrados, de Control Automatico, de Adquisicion de Datos y de Tiempo Real.• An electrical bridge that connects, conveniently protected (with a resistor), the so-called pins, for the purposes of this description, PD6 and PD3 that the microcontroller must have according to our requirements. As previously mentioned, the first one is a digital output pin and also the pin that provides the PWM output for the servomotor subsystem, while the second is a pin that receives one of the external interrupts of the microcontroller. The reason for reusing both to interconnect them in this way is to enable the possibility that the user can detect through this interruption the descents or rises of the PWM signal, used mainly in the servo subsystem, and act accordingly. This is useful in practices of Embedded Systems, Automatic Control, Data Acquisition and Real Time.

Descripcion de las figurasDescription of the figures

Fig. 1. Despliegue de la invencion para su uso.Fig. 1. Deployment of the invention for use.

Fig. 2. Diagrama de bloques general de la invencion.Fig. 2. General block diagram of the invention.

Fig. 3. Subsistema de indicadores LED digitales.Fig. 3. Subsystem of digital LED indicators.

Fig. 4. Subsistema de conversion digital-analogica que recibe los mismos datos digitales que el subsistema de indicadores LED, mas una senal de habilitacion, y convierte el dato numerico binario representado por los primeros en un voltaje analogico de baja potencia.Fig. 4. Digital-analog conversion subsystem that receives the same digital data as the LED indicator subsystem, plus an enable signal, and converts the binary numerical data represented by the former into a low power analog voltage.

Fig. 5. Diagrama de bloques del subsistema RC+RLC, que recibe la senal analogica producida por el subsistema DAC y produce otra senal analogica que puede ser leida en el pin de entrada analogico AD2 del microcontrolador. Las mallas RC y RLC son configurables internamenteFig. 5. Block diagram of the RC + RLC subsystem, which receives the analog signal produced by the DAC subsystem and produces another analog signal that can be read on the analog input pin AD2 of the microcontroller. RC and RLC meshes are internally configurable

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mediante dos interruptores y un potenciometro, respectivamente, mientras que las interconexiones entre las mismas las definen los selectores 1 y 2.by means of two switches and a potentiometer, respectively, while the interconnections between them are defined by selectors 1 and 2.

Fig. 6. Subsistema de interfaz con dispositivos externos. Recibe la alimentacion que tenga disponible la invention y la senal de salida del subsistema DAC, y produce una senal igual a esta pero en el rango ± 10v para dispositivos externos. Tambien puede recibir una senal de ±10v desde los mismos y trasladarla a la entrada analogica AD1 del microcontrolador.Fig. 6. Interface subsystem with external devices. It receives the power available to the invention and the output signal of the DAC subsystem, and produces a signal equal to this but in the range ± 10v for external devices. You can also receive a ± 10v signal from them and transfer it to the analog input AD1 of the microcontroller.

Fig. 7. Subsistema de control de servomotores de radiocontrol y cargas que necesiten potencia. Recibe una senal digital PWM (0-5v) desde el pin PD6 del microcontrolador, y la puede utilizar para: encender y apagar un LED, controlar servos con conectores G-V-S o V-G-S, y controlar cargas que requieran potencia. La alimentacion de los conectores esta convenientemente filtrada contra ruidos y picos de consumo, y puede ser medida por la entrada analogica AD1 del microcontrolador.Fig. 7. Control subsystem of radiocontrol servomotors and loads that need power. It receives a PWM digital signal (0-5v) from the PD6 pin of the microcontroller, and can use it to: turn on and off an LED, control servos with G-V-S or V-G-S connectors, and control loads that require power. The power supply of the connectors is conveniently filtered against noise and consumption peaks, and can be measured by the analog input AD1 of the microcontroller.

Fig. 8. Subsistema del potenciometro manual. El usuario puede cambiar su position, lo que se refleja en un voltaje analogico que puede ser leido por la entrada AD5 del microcontrolador.Fig. 8. Manual potentiometer subsystem. The user can change his position, which is reflected in an analog voltage that can be read by the AD5 input of the microcontroller.

Fig. 9. Subsistema de pulsadores. Cada uno es independiente de los demas y produce un voltaje de 5v en caso de ser pulsado (0v en caso de que no) en un pin digital de entrada del microcontrolador.Fig. 9. Push button subsystem. Each one is independent of the others and produces a voltage of 5v if it is pressed (0v in case it is not) on a digital input pin of the microcontroller.

Fig. 10. Subsistema SRAM para el almacenamiento de datos externos. El microcontrolador se comunica con el mediante su propio bus SPI mas una senal de habilitacion.Fig. 10. SRAM subsystem for external data storage. The microcontroller communicates with it through its own SPI bus plus an enable signal.

Fig. 11. Subsistema miscelaneo de la invencion. Este incluye, de izquierda a derecha, un filtro para ruidos en la alimentacion que llega a la invencion, un indicador luminoso de dicha alimentacion, un pulsador que permite resetear el microcontrolador, una replica directa de todos los conectores de la placa del microcontrolador que esten disponible para tal uso y una interconexion del pin PD6 con el pin PD2 del microcontrolador para la realization de algunos ejercicios sobre interrupciones.Fig. 11. Miscellaneous subsystem of the invention. This includes, from left to right, a filter for noise in the power supply that reaches the invention, a light indicator of said power supply, a push button that allows the microcontroller to be reset, a direct replica of all the connectors of the microcontroller board that are available for such use and an interconnection of the PD6 pin with the PD2 pin of the microcontroller for the realization of some interruption exercises.

Fig. 12. Simulation realista de la realizacion preferida, donde se aprecia su aspecto fisico. Esta PCB se conectara a una placa Arduino/Genuino UNO (no mostrada) mediante los pines macho que se observan en los laterales de su parte inferior, por lo que tiene las mismas dimensiones que esta: 68.6 mm x 53.4 mm [2].Fig. 12. Realistic simulation of the preferred embodiment, where its physical appearance is appreciated. This PCB will be connected to an Arduino / Genuino UNO board (not shown) using the male pins that are observed on the sides of its lower part, so it has the same dimensions as this: 68.6 mm x 53.4 mm [2].

Fig. 13. Esquematico general de la realizacion preferida y de la parte del subsistema miscelaneo que no tiene que ver con la alimentacion de la invencion. En esta figura aparecen las interconexiones de los distintos subsistemas (mostrados en las figuras siguientes), asi como las existentes entre los mismos y el microcontrolador ATmega328P de la placa Arduino/Genuino UNO.Fig. 13. General schematic of the preferred embodiment and of the part of the miscellaneous subsystem that has nothing to do with the feeding of the invention. This figure shows the interconnections of the different subsystems (shown in the following figures), as well as those between them and the ATmega328P microcontroller of the Arduino / Genuino UNO board.

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Fig. 14. Esquematico con la realization preferida del subsistema de indicadores LED.Fig. 14. Schematic with the preferred realization of the LED indicator subsystem.

Fig. 15. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema de conversion digital- analogica.Fig. 15. Schematic with the preferred embodiment of the digital-analog conversion subsystem.

Fig. 16. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema RC+RLC.Fig. 16. Schematic with the preferred embodiment of the RC + RLC subsystem.

Fig. 17. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema de interfaz con dispositivos externos.Fig. 17. Schematic with the preferred embodiment of the interface subsystem with external devices.

Fig. 18. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema de control de servomotores de radio control y cargas que necesiten potencia.Fig. 18. Schematic with the preferred embodiment of the control subsystem of radio control servomotors and loads that need power.

Fig. 19. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema de potenciometro manual.Fig. 19. Schematic with the preferred embodiment of the manual potentiometer subsystem.

Fig. 20. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema pulsadores.Fig. 20. Schematic with the preferred embodiment of the push-button subsystem.

Fig. 21. Esquematico con la realizacion preferida del subsistema SRAM.Fig. 21. Schematic with the preferred embodiment of the SRAM subsystem.

Fig. 22. Esquematico con la realizacion preferida de la parte del subsistema miscelaneo relativa a la alimentation de la invention.Fig. 22. Schematic with the preferred embodiment of the part of the miscellaneous subsystem related to the feeding of the invention.

Fig. 23. Cara de pistas superior de la PCB para la realizacion preferida.Fig. 23. Top track face of the PCB for the preferred embodiment.

Fig. 24. Cara de pistas inferior de la PCB para la realizacion preferida.Fig. 24. Lower track face of the PCB for the preferred embodiment.

Fig. 25. Aspecto simulado de la cara superior de la PCB para la realizacion preferida, una vez soldados los componentes, donde se aprecia el etiquetado disenado para la invencion, que en los conectores laterales replica el nombre de los pines del microcontrolador ATmega328P, algo no disponible en la placa Arduino/Genuino UNO.Fig. 25. Simulated aspect of the upper face of the PCB for the preferred embodiment, once the components are welded, where the labeling designed for the invention can be seen, which on the side connectors replicates the name of the ATmega328P microcontroller pins, something not available on the Arduino / Genuino UNO board.

Fig. 26. Aspecto simulado de la cara inferior de la PCB para la realizacion preferida, una vez soldados los componentes. Se observan, apuntando hacia fuera de la imagen, los pines de conexion que unen la invencion con la placa Arduino/Genuino UNO.Fig. 26. Simulated appearance of the underside of the PCB for the preferred embodiment, once the components are welded. The connection pins connecting the invention with the Arduino / Genuino UNO board are observed pointing out the image.

Modo de realizacion preferida de la invencionPreferred embodiment of the invention

La constitution y caracteristicas de la invencion se comprenderan mejor con ayuda de laThe constitution and characteristics of the invention will be better understood with the help of the

siguiente description de ejemplos de realizacion, debiendo entenderse que la invencion no quedafollowing description of examples of realization, it being understood that the invention does not remain

limitada a estas realizaciones, sino que la proteccion abarca todas aquellas realizacioneslimited to these embodiments, but the protection covers all those embodiments

alternativas que puedan incluirse dentro del contenido y del alcance de las reivindicaciones.alternatives that may be included within the content and scope of the claims.

Asimismo, el presente documento refiere diversas referencias como estado de la tecnica,Likewise, this document refers to various references as prior art,

entendiendose incorporado por referencia el contenido de todos estos documentos, con objeto deunderstood to be incorporated by reference the content of all these documents, in order to

ofrecer una descripcion lo mas completa posible del estado de la tecnica en el que la presenteoffer a complete description of the state of the art in which it is presented

invencion se encuadra. La terminologia utilizada a continuation tiene por objeto la descripcioninvention fits. The terminology used below is intended to describe

del ejemplo de modo de realizacion que sigue y no debe ser interpretada de forma limitante ofrom the example of embodiment that follows and should not be construed as limiting or

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restrictiva.restrictive

En este apartado describimos una forma preferente de implementation de la invention. En esta escogemos la placa Arduino/Genuino UNO [2] como contenedor del microcontrolador, que por tanto sera el ATmega328P de Atmel [11]. En este caso la invencion consiste en una placa de extension de Arduino/Genuino (o sea, un shield), por lo que tiene las mismas dimensiones que esta: 68.6 mm x 53.4 mm [2]. En esta placa de circuito impreso (PCB) se sueldan los componentes necesarios para la realization de la invencion, obteniendo finalmente una circuiteria que se conecta manualmente a la placa Arduino/Genuino UNO por una serie de pines (vease figura 12). La alimentation de la invencion proviene de la que recibe la placa Arduino/Genuino UNO, la cual podra venir, a su vez, del mismo PC desde donde esta se programa (a traves de USB, que da 5v y hasta 500 mA), o bien desde una fuente de alimentacion externa de entre 7v y 12v conectada a la placa Arduino/Genuino UNO por su jack de entrada de alimentacion. La placa Arduino/Genuino UNO dispone de reguladores lineales para que en este ultimo caso se cumplan los requisitos especificados para la invencion en cuanto a su alimentacion (en el primer caso el propio USB ya tiene un voltaje regulado).In this section we describe a preferred form of implementation of the invention. In this we choose the Arduino / Genuino UNO board [2] as the microcontroller container, which will therefore be the Atmega328P of Atmel [11]. In this case the invention consists of an Arduino / Genuino extension plate (that is, a shield), so it has the same dimensions as this: 68.6 mm x 53.4 mm [2]. In this printed circuit board (PCB) the necessary components for the realization of the invention are soldered, finally obtaining a circuitry that is manually connected to the Arduino / Genuine UNO board by a series of pins (see figure 12). The power supply of the invention comes from that received by the Arduino / Genuino UNO board, which may, in turn, come from the same PC from where it is programmed (via USB, which gives 5v and up to 500 mA), or either from an external power supply between 7v and 12v connected to the Arduino / Genuino UNO board through its power input jack. The Arduino / Genuino UNO board has linear regulators so that in the latter case the requirements specified for the invention in terms of power are met (in the first case the USB itself already has a regulated voltage).

Como ya se ha explicado, la presente invencion proporciona funcionalidades no disponibles actualmente en los dispositivos existentes identificados, como la circuiteria RC+RLC, la SRAM o las conexiones de ±10v con dispositivos externos.As already explained, the present invention provides functionalities not currently available in the identified existing devices, such as the RC + RLC circuitry, the SRAM or the ± 10v connections with external devices.

Cada subsistema de los explicados detalladamente en la section anterior se corresponde en esta realizacion preferida con un circuito electronico. Las figuras 13 a 22 son los esquematicos de dichos circuitos electronicos. En esos esquematicos aparecen los valores de los componentes electronicos escogidos para la misma, que cumplen todo lo especificado de forma general anteriormente, asi como sus modelos concretos en los casos en que el modelo o parte concreta son importantes para cumplir la descripcion de la invencion y/o conseguir una buena ratio funcionalidad/coste.Each subsystem of those explained in detail in the previous section corresponds in this preferred embodiment with an electronic circuit. Figures 13 to 22 are the schematics of said electronic circuits. These schematics show the values of the electronic components chosen for it, which comply with everything specified in general above, as well as their specific models in cases where the specific model or part is important to comply with the description of the invention and / or get a good functionality / cost ratio.

En particular, la funcionalidad del subsistema DAC la proporciona el circuito integrado TLC7524 de conversion digital-analogica [12] mas una referencia de voltaje de 2.5v que puede obtenerse de manera sencilla de los 5v que alimentan a la invencion; en el subsistema RC+RLC, la primera malla tiene a su entrada un buffer TLV4111 [15] que recibe la senal de salida del DAC y la replica, el cual puede dar un maximo de 150mA, cumpliendo asi los requisitos de la invencion; para el subsistema potenciometro hemos escogido el modelo RK09K1110A0J de potenciometro del fabricante ALPS [17].In particular, the functionality of the DAC subsystem is provided by the TLC7524 digital-analog conversion integrated circuit [12] plus a 2.5v voltage reference that can be easily obtained from the 5vs that feed the invention; In the RC + RLC subsystem, the first mesh has at its input a TLV4111 buffer [15] that receives the output signal from the DAC and replicates it, which can give a maximum of 150mA, thus fulfilling the requirements of the invention; For the potentiometer subsystem we have chosen the potentiometer model RK09K1110A0J from the manufacturer ALPS [17].

Las figuras 23 y 24 muestran las caras de pistas superior e inferior respectivamente de la PCBFigures 23 and 24 show the faces of upper and lower tracks respectively of the PCB

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de la realization preferida, tal y como serian una vez listas para su fabrication. Asimismo, las figuras 25 y 26 muestran, de forma simulada, como quedarian ambas caras con los componentes soldados, lo que tambien sirve para apreciar el etiquetado disenado para la invention, que en los conectores laterales replica el nombre de los pines del microcontrolador ATmega328P, algo no disponible en la placa Arduino/Genuino UNO y que puede dificultar el aprendizaje de dicho controlador, como ya se ha comentado anteriormente.of the preferred realization, as they would once be ready for fabrication. Likewise, Figures 25 and 26 show, in a simulated way, how both faces would be with the welded components, which also serves to appreciate the labeling designed for the invention, which in the lateral connectors replicates the name of the ATmega328P microcontroller pins, something not available on the Arduino / Genuino UNO board and that can make it difficult to learn from said controller, as previously mentioned.

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Claims (26)

55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 REIVINDICACIONES 1. Dispositivo electronico educativo de funcionalidad multiple para diversas ramas de la1. Multiple functional electronic educational device for various branches of the ingenieria que requiereengineering that requires • Disponer de una placa que contenga un microcontrolador que funcione a una tension de 5v en sus pines y que permita que esos pines se puedan conectar al dispositivo electronico educativo a traves de conectores apropiados, dicho microcontrolador disponiendo de:• Have a board containing a microcontroller that operates at a voltage of 5v on its pins and that allows these pins to be connected to the educational electronic device through appropriate connectors, said microcontroller having: • 3 entradas de voltaje analogico en el rango 0/5v dotadas del conversor o conversores necesarios de analogico a digital, capaces de proporcionar voltajes digitalizados al software del microcontrolador con una frecuencia minima de 9KHz;• 3 analog voltage inputs in the 0 / 5v range equipped with the necessary analog or digital converter or converters, capable of providing digitized voltages to the microcontroller software with a minimum frequency of 9KHz; • 1 salida digital capaz de generar ondas PWM dentro del rango de 30 a 60Hz de frecuencia y de 400 a 3000 microsegundos de ancho de pulso;• 1 digital output capable of generating PWM waves within the range of 30 to 60Hz frequency and 400 to 3000 microseconds of pulse width; • Un modulo interno de control de comunicaciones SPI que permita al microcontrolador ser servidor de dicho bus y que disponga de 3 pines que deberan poder usarse como entradas o salidas digitales independientes entre si en caso de que no se active el modulo SPI del microcontrolador;• An internal SPI communications control module that allows the microcontroller to be a server of said bus and that has 3 pins that should be able to be used as independent digital inputs or outputs with each other in case the SPI module of the microcontroller is not activated; • 2 pines de entrada de interrupciones externas al microcontrolador, independientes, configurables para disparar las interrupciones correspondientes por flanco de subida o de bajada, y con capacidad de ser utilizados como pines de entrada o salida digitales independientes;• 2 independent interrupt input pins to the microcontroller, configurable to trigger the corresponding interruptions per rising or falling edge, and capable of being used as independent digital input or output pins; • 8 pines de salida digital independientes por los que pueda enviarse un numero de 8 bits sin signo;• 8 independent digital output pins for which an unsigned 8-bit number can be sent; • 1 pin de salida digital; y• 1 digital output pin; Y • 1 pin de entrada digital que produzca un reinicio en el microcontrolador cuando se ponga a un estado (voltaje digital) determinado;• 1 digital input pin that produces a reset on the microcontroller when set to a certain state (digital voltage); • Disponer de una alimentation para la placa del microcontrolador mencionada en el anterior punto que pueda proporcionar al menos 500 miliamperios a una tension de 5v, que este regulada, y que sea accesible para el dispositivo electronico educativo a traves de conectores apropiados; y• Have a power supply for the microcontroller board mentioned in the previous point that can provide at least 500 milliamps at a voltage of 5v, which is regulated, and that is accessible to the educational electronic device through appropriate connectors; Y • Disponer del hardware y software suficientes para poder programar el• Have sufficient hardware and software to program the 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 microcontrolador residente en la placa mencionada en el primer punto;microcontroller resident on the board mentioned in the first point; caracterizado por que comprende los siguientes subsistemas:characterized in that it comprises the following subsystems: • Subsistema de indicadores digitales, que dota al microcontrolador de indicadores luminosos, utiles para depuration, visualization de datos y otros propositos, y que permite la programacion desde el microcontrolador de 8 senales luminosas binarias (ON/OFF) independientes en logica positiva;• Digital indicators subsystem, which provides the microcontroller with luminous indicators, useful for debugging, data visualization and other purposes, and which allows programming from the microcontroller of 8 independent binary light signals (ON / OFF) in positive logic; • Subsistema de conversion analogica-digital (DAC), que transforma a un valor de voltaje analogico en el rango 0 - 5v, de forma lineal, el valor digital de 8 bits existente en los mismos pines del microcontrolador que actuan como entradas del subsistema de indicadores digitales;• Digital-analog conversion (DAC) subsystem, which transforms to an analog voltage value in the range 0 - 5v, in a linear fashion, the 8-bit digital value existing on the same microcontroller pins that act as inputs of the subsystem of digital indicators; • Subsistema RC+RLC, que consiste en dos mallas de circuito electrico, RC y RLC, con elementos lineales;• RC + RLC subsystem, which consists of two electric circuit meshes, RC and RLC, with linear elements; • Subsistema de interfaz externa, que permite utilizar dispositivos externos adicionales cuando se desee para la realization de practicas educativas;• External interface subsystem, which allows the use of additional external devices when desired for the realization of educational practices; • Subsistema servo, que permite el control de servomotores de radiocontrol externos mediante un pin de salida digital del microcontrolador por el que pueda generarse una senal PWM;• Servo subsystem, which allows the control of external radiocontrol servomotors by means of a digital output pin of the microcontroller through which a PWM signal can be generated; • Subsistema potenciometro, que consiste en un potenciometro lineal que permite que el usuario establezca el valor de una resistencia y, a traves de la misma, el de un divisor de tension, generando asi una senal de voltaje analogico de entre 0v y 5v que esta conectado a un pin de entrada analogica;• Potentiometer subsystem, which consists of a linear potentiometer that allows the user to establish the value of a resistor and, through it, that of a voltage divider, thus generating an analog voltage signal between 0v and 5v that is connected to an analog input pin; • Subsistema de pulsadores, que incluye 3 pulsadores que el usuario puede utilizar para introducir datos o information digital y que estan conectados a tres entradas digitales del microcontrolador;• Button subsystem, which includes 3 buttons that the user can use to enter digital data or information and that are connected to three digital inputs of the microcontroller; • Subsistema SRAM, encargado de almacenar datos procedentes de los demas subsistemas, ampliando la capacidad de almacenamiento en memoria RAM estatica del microcontrolador; y• SRAM subsystem, responsible for storing data from other subsystems, expanding the storage capacity in static RAM of the microcontroller; Y • Subsistema miscelaneo, que incluye componentes que dan soporte a los demas subsistemas.• Miscellaneous subsystem, which includes components that support other subsystems. 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 2. Dispositivo segun la revindication anterior caracterizado por que las senales digitales que recibe el subsistema de indicadores digitales son las mismas que recibe el subsistema DAC y estan protegidas con resistencias para que el consumo total de corriente en caso de que se enciendan todos los indicadores simultaneamente sea asumible por la fuente de alimentacion.2. Device according to the previous revindication characterized in that the digital signals received by the digital indicators subsystem are the same as those received by the DAC subsystem and are protected with resistors so that the total current consumption in case all the indicators light up simultaneously be acceptable by the power supply. 3. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado por que la salida analogica del subsistema DAC esta conectada al subsistema RC+RLC, dicha senal analogica regulable con objeto de a su vez regular las salida del subsistema RC+RLC, y dicho subsistema RC+RLC comprendiendo un buffer a la entrada de la malla RC que recibe dicha senal de salida analogica del subsistema DAC y la replica sin cambios.Device according to any one of claims 1 or 2 characterized in that the analog output of the DAC subsystem is connected to the RC + RLC subsystem, said analogue adjustable signal in order to regulate the outputs of the RC + RLC subsystem, and said subsystem RC + RLC comprising a buffer at the input of the RC mesh that receives said analog output signal from the DAC subsystem and replicates it without changes. 4. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que el subsistema RC+RLC consiste en una malla RC que consta de una resistencia y un condensador en serie, y en una malla RLC que consta de una resistencia, una inductancia y un condensador en serie, ambas mallas teniendo ganancia unitaria por lo que sus salidas pueden ser mayores de 5v aunque la senal analogica del subsistema DAC sea en el rango 0 - 5v.4. Device according to the preceding claim characterized in that the RC + RLC subsystem consists of an RC mesh consisting of a resistor and a capacitor in series, and an RLC mesh consisting of a resistor, an inductance and a capacitor in series, both meshes having unit gain so their outputs can be greater than 5v even if the analog signal of the DAC subsystem is in the range 0-5v. 5. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que los valores para los componentes de la malla RC son R = 100 ohmios y C en el rango 2 - 21.7pF; y los valores de los componentes de la malla RLC son R en el rango 0 - 500 ohmios, L = 47mH y C = 1pF.5. Device according to the previous claim characterized in that the values for the components of the RC mesh are R = 100 ohms and C in the range 2 - 21.7pF; and the values of the RLC mesh components are R in the range 0-500 ohms, L = 47mH and C = 1pF. 6. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que la malla RC es configurable manualmente mediante dos interruptores que permiten seleccionar un valor del condensador de un conjunto de 4 valores distintos: 2pF, 6.7pF, 17pF o 21.7pF.6. Device according to the preceding claim characterized in that the RC mesh is manually configurable by means of two switches that allow selecting a capacitor value from a set of 4 different values: 2pF, 6.7pF, 17pF or 21.7pF. 7. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6 caracterizado por que la resistencia de la malla RLC es variable y configurable mediante un potenciometro.7. Device according to any of claims 5 or 6 characterized in that the resistance of the RLC mesh is variable and configurable by a potentiometer. 8. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7 caracterizado por que las8. Device according to any of claims 6 or 7 characterized in that the 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 mallas RC y RLC, ademas de funcionar por separado, se interconectan de forma que la malla RC constituye una etapa anterior a la malla RLC, determinandose el comportamiento de la interconexion mediante la regulation del condensador de la malla RC.In addition to operating separately, RC and RLC meshes are interconnected so that the RC mesh constitutes a stage prior to the RLC mesh, determining the behavior of the interconnection by regulating the capacitor of the RC mesh. 9. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que mediante los interruptores que permiten seleccionar un valor del condensador de la malla RC se selecciona que la salida final del subsistema RC+RLC sea bien la de la malla RC, bien la de la malla RLC, bien la del buffer a la entrada de la malla RC sin pasar por dicha malla RC o por la malla RLC.9. Device according to the previous claim characterized in that by means of the switches that allow to select a value of the capacitor of the RC mesh it is selected that the final output of the RC + RLC subsystem is either that of the RC mesh, or that of the RLC mesh, either that of the buffer at the entrance of the RC mesh without passing through said RC mesh or RLC mesh. 10. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que la salida final del subsistema RC+RLC esta protegida por dos diodos de corte para evitar que los voltajes por encima de 5v o por debajo de 0v lleguen a la entrada analogica del microcontrolador.10. Device according to the previous claim characterized in that the final output of the RC + RLC subsystem is protected by two cutting diodes to prevent voltages above 5v or below 0v from reaching the analog input of the microcontroller. 11. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el subsistema de interfaz externa comprende una interfaz electrica de entrada y otra de salida que funcionan en el rango de voltajes de ±10v.11. Device according to any of the preceding claims characterized in that the external interface subsystem comprises an electrical input and an output interface operating in the voltage range of ± 10v. 12. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que el subsistema de interfaz externa transmite, una vez conectado a dispositivos externos adicionales, una senal analogica de ±10v hacia los mismos, senal de salida, y, simultaneamente, recibe otra senal en el mismo rango de voltaje desde los mismos, senal de entrada, dichas senales de entrada y de salida no transmitiendo potencia.12. Device according to the previous claim characterized in that the external interface subsystem transmits, once connected to additional external devices, an analog signal of ± 10v towards them, output signal, and, simultaneously, receives another signal in the same range voltage from them, input signal, said input and output signals not transmitting power. 13. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que la senal de salida de ±10v del subsistema de interfaz externa se obtiene a partir de la salida analogica del subsistema DAC desacoplando dicho subsistema DAC del subsistema de interfaz externa haciendo pasar la senal de salida del subsistema DAC primero por un buffer y posteriormente por un amplificador operacional que escala y desplaza dicha senal.13. Device according to the preceding claim characterized in that the ± 10v output signal of the external interface subsystem is obtained from the analog output of the DAC subsystem by decoupling said DAC subsystem from the external interface subsystem by passing the output signal of the subsystem DAC first by a buffer and then by an operational amplifier that scales and displaces said signal. 14. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 12 o 13 caracterizado por que la14. Device according to any of claims 12 or 13 characterized in that the 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 senal de entrada de ±10v del subsistema de interfaz externa se pasa por dos amplificadores operacionales que la escalan y desplazan hasta el rango de 0v a 5v, el cual entra en un pin analogico del microcontrolador.± 10v input signal of the external interface subsystem is passed through two operational amplifiers that scale and move it to the range of 0v to 5v, which enters an analog pin of the microcontroller. 15. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que el escalado y desplazamiento de las senales de entrada y salida del subsistema de interfaz externa reutilizan un mismo voltaje de referencia de 1.25v, voltaje para cuya obtencion se limita la salida del subsistema DAC al rango de 0v a 2.5v.15. Device according to the previous claim characterized in that the scaling and displacement of the input and output signals of the external interface subsystem reuse the same reference voltage of 1.25v, whose output limits the output of the DAC subsystem to the range of 0v to 2.5v. 16. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 14 o 15 caracterizado por que la conversion de voltaje asociada a las senales de entrada y salida del subsistema de interfaz externa necesita una alimentation de ±15v, dicha alimentation producida por el subsistema miscelaneo a partir de la alimentacion de 5v de la placa del microcontrolador.16. Device according to any of claims 14 or 15, characterized in that the voltage conversion associated with the input and output signals of the external interface subsystem requires a power supply of ± 15v, said power supply produced by the miscellaneous subsystem from the power supply 5v of the microcontroller board. 17. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el subsistema servo recibe la senal PWM del microcontrolador, la utiliza para hacer parpadear un LED, y, simultaneamente, la envia a una serie de conectores fisicos donde se pueden unir diversos tipos de servomotores.17. Device according to any of the preceding claims characterized in that the servo subsystem receives the PWM signal from the microcontroller, uses it to flash an LED, and, simultaneously, sends it to a series of physical connectors where various types of servo motors can be attached . 18. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que la serie de conectores comprende tres conectores distintos: uno para servomotores que utilizan conectores de formato G-V-S (tierra-alimentacion-senal), otro para servomotores que utilizan el formato de conector V-G-S, y el ultimo para cargas generales que reciben una senal de potencia comandada por una senal PWM.18. Device according to the preceding claim characterized in that the series of connectors comprises three different connectors: one for servomotors that use GVS (ground-feed-signal) connectors, another for servomotors that use the VGS connector format, and the last for general loads that receive a power signal commanded by a PWM signal. 19. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que el subsistema servo comprende medios para filtrar la alimentacion de 5v que le envia al servo con objeto de evitar la propagation de ruidos y bajadas de tension entre el propio servo y el dispositivo electronico educativo.19. Device according to the previous claim characterized in that the servo subsystem comprises means for filtering the 5v supply that it sends to the servo in order to prevent the propagation of noise and voltage drops between the servo itself and the electronic educational device. 20. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que el subsistema servo comprende un fusible rearmable en el camino de alimentacion del servo para situaciones20. Device according to the preceding claim characterized in that the servo subsystem comprises a resettable fuse in the servo supply path for situations 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 excepcionales.exceptional 21. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20 caracterizado por que el subsistema servo comprende un sensor de consumo de corriente del servo, situado en el camino de alimentacion del mismo, e implementado mediante una resistencia shunt de pequeno valor mas un amplificador de voltaje, dicho sensor proporcionando un voltaje analogico de entre 0v y 5v que es proporcional a la corriente que el servo esta consumiendo en cada momento.21. Device according to any of claims 18 to 20 characterized in that the servo subsystem comprises a servo current consumption sensor, located in the power supply path thereof, and implemented by means of a small value shunt resistor plus a voltage amplifier , said sensor providing an analog voltage between 0v and 5v that is proportional to the current that the servo is consuming at all times. 22. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que los datos obtenidos por el sensor de consumo de corriente del servo se almacenan utilizando el subsistema SRAM siendo adquiridos a traves de un pin analogico de entrada del microcontrolador.22. Device according to the previous claim characterized in that the data obtained by the servo current consumption sensor is stored using the SRAM subsystem being acquired through an analog input pin of the microcontroller. 23. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que las comunicaciones del subsistema SRAM con el microcontrolador pueden deshabilitarse mediante uno de los pines de salida digital de dicho microcontrolador.23. Device according to any of the preceding claims characterized in that the communications of the SRAM subsystem with the microcontroller can be disabled by means of one of the digital output pins of said microcontroller. 24. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el24. Device according to any of the preceding claims characterized in that the subsistema miscelaneo comprende:Miscellaneous subsystem includes: • Un circuito de filtrado que evita ruidos y caidas de tension en la alimentacion del dispositivo electronico educativo, siendo la salida de dicho circuito los 5v (y la tierra) que alimentan al resto de subsistemas;• A filtering circuit that avoids noise and voltage drops in the supply of the electronic educational device, the output of said circuit being the 5v (and the earth) that feed the rest of the subsystems; • Un conversor DC/DC que transforma los 5v del circuito de filtrado anterior en una alimentacion de ±15v, necesaria para el subsistema de interfaz externa;• A DC / DC converter that transforms the 5v of the previous filtering circuit into a supply of ± 15v, necessary for the external interface subsystem; • Una replica de los nombres de los pines que el microcontrolador proporciona al dispositivo electronico educativo; y• A replica of the names of the pins that the microcontroller provides to the educational electronic device; Y • Un puente electrico que conecta, de forma convenientemente protegida (con una resistencia), el pin de salida digital del microcontrolador que proporciona la senal de salida PWM para el subsistema servomotor, y un pin que recibe una de las interrupciones externas del microcontrolador.• An electrical bridge that connects, conveniently protected (with a resistor), the digital output pin of the microcontroller that provides the PWM output signal for the servomotor subsystem, and a pin that receives one of the external interruptions of the microcontroller. 25. Dispositivo segun la reivindicacion anterior caracterizado por que el subsistema25. Device according to the preceding claim characterized in that the subsystem 3333 miscelaneo comprende ademas un fusible rearmable para situaciones excepcionales de consumo electrico, y un LED indicador de la alimentation.Miscellaneous also includes a resettable fuse for exceptional power consumption situations, and a power indicator LED. 26. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el 5 subsistema miscelaneo comprende ademas un pulsador que activa la senal RESET del26. Device according to any of the preceding claims characterized in that the miscellaneous subsystem further comprises a button that activates the RESET signal of the microcontrolador.microcontroller
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