Hardware Libre: La Tarjeta Skypic, Una Entrenadora Para Microcontroladores Pic

Hardware Libre: la Tarjeta Skypic, una Entrenadora para Microcontroladores PIC Juan Gonz´ alez-G´ omez1 y Andr´es Prieto-Moreno Torres2 1

Escuela Polit´ecnica Superior, Universidad Aut´ onoma de Madrid, [email protected] 2 Ifara Tecnolog´ıas, [email protected]

Resumen Las ideas del software libre se est´ an extendiendo a otros a ´mbitos. Uno de ellos es el hardware. En este art´ıculo presentamos una tarjeta libre, para desarrollo de proyectos con microcontroladores PIC. Es hardware libre, por lo que cualquiera la puede utilizar, estudiar, fabricar, modificar, distribuir y redistribuir las modificaciones. Las aplicaciones principales son la rob´ otica y la docencia, aunque se puede utilizar en cualquier proyecto donde se requiera un microcontrolador. Los dise˜ nos de hardware libre presentan muchas ventajas para la sociedad, siendo la mayor de ellas el aumento del conocimiento tecnol´ ogico: est´ an ah´ı no s´ olo para ser usados, sino para que cualquiera pueda comprender su funcionamiento interno.

1.

Introducci´ on

El software libre ofrece al usuario cuatro libertades: libertad de uso, de estudio y modificaci´ on, de distribuci´ on, y de redistribuci´ on de las mejoras. Existen licencias que las garantizan y que dan una cobertura legal, como por ejemplo la GPL. Estas ideas se pueden aplicar a otros campos, como el del dise˜ no hardware, dando lugar a lo que se conoce como hardware libre o hardware abierto[1]. No existe una definici´ on universalmente aceptada de hardware libre, ni tampoco est´ a disponible una licencia similar a la GPL. El criterio que hemos seguido es el propuesto en[1], que considera que un dise˜ no hardware es libre siempre y cuando se garantice que las mismas libertades del software libre se aplican a los “ficheros fuente” de los planos hardware: esquem´ atico, PCB (Printed Circuit Board ) y fichero gerber para fabricaci´ on industrial. Los microcontroladores PIC, de Microchip, son muy populares y cada vez se utilizan en m´ as desarrollos. Est´ an muy extendidos en la rob´ otica, us´ andose para gobernar tanto peque˜ nos robots m´ oviles[2,3] como prototipos de robots modulares reconfigurables [4]. Su reducido coste y los diferentes encapsulados en que se distribuyen, los hacen muy atractivos para la construcci´ on de tarjetas entrenadoras, de tipo industrial o prototipos, realizadas por empresas[5], universidades[6,7] o particulares[8,9,10].

La tarjeta Skypic[11] es una entrenadora de prop´ osito general, para trabajar con los microcontroladores PIC de 28 pines. Y es hardware libre en el sentido antes indicado: est´ an disponibles todos los “ficheros fuente” de los planos y se conceden permisos para utilizarla, fabricarla, modificarla y distribuirla. En este art´ıculo se describen las caracter´ısticas t´ecnicas de esta tarjeta, sus aplicaciones principales y se discuten las repercusiones m´ as importantes que tienen los dise˜ nos libres, tanto para las empresas como para la sociedad.

2.

Caracter´ısticas t´ ecnicas Conexion de Servos

Reset

Puerto A

Pulsador Puerto C pruebas

Puerto de Prog

Puerto B

ICD2

RS232

Alimentacion

Figura 1. Descripci´ on de los componentes de la Skypic

La tarjeta Skypic permite ejecutar programas en cualquier microcontrolador PIC de 28 pines, aunque se dise˜ no ´ para el modelo PIC16F876. Contiene s´ olo la electr´ onica indispensable para que el microcontrolador pueda funcionar, por lo que tiene unas reducidas dimensiones: 80x65mm. A trav´es de cuatro conectores acodados para cable plano, se tiene acceso a todos los pines del Pic. Las caracter´ısticas principales se muestran en el cuadro 1 y la disposici´ on de los componentes en la figura 1. Los PIC son microcontroladores de tipo RISC, de 8 bits, que incorporan perif´ericos muy diversos: temporizadores, unidades de comunicaciones serie s´ıncronas y as´ıncronas, bus CAN, USB, conversores A/D, comparadores, etc, por lo que se adaptan a una gran variedad de aplicaciones. En el cuadro 2 se han resumido las caracter´ısticas del modelo Pic16F876. La programaci´ on del pic se realiza in circuit, por lo que no es necesario extraerlo del z´ ocalo. Se puede emplear bien el grabador ICD2 de Microchip, o bien otra tarjeta Skypic con un software de grabaci´ on (ver apartado 4).

Tarjeta Skypic Conector para grabar desde el ICD2 de Microchip Conector telef´ onico para la conexi´ on RS232 con el PC Led y pulsador para realizar pruebas Puerto para programaci´ on directa desde la tarjeta CT6811 u otra Skypic Puertos A,B y C accesibles mediante conector acodado de 10 v´ıas Conexi´ on directa de 8 servos compatibles Futaba Cuadro 1. Caracter´ısticas de la tarjeta Skypic

PIC16F876 Microprocesador Risc de 8 bits Frecuencia de Reloj: 4Mhz Temporizador de 8 bits y uno de 16 bits Dos unidades de captura, comparaci´ on y PWM Buses s´ıncronos I2C y SSP Unidad de comunicaciones serie as´ıncrona 8 canales A/D de 10 bits Programaci´ on “in circuit” (ICSP) Memoria Flash de 8Kb y SRAM de 368 bytes Memoria eeprom de 256 bytes Cuadro 2. Caracter´ısticas del microcontrolador PIC16F876

3.

Planos

Siguiendo los criterios establecidos en [1], consideraremos que un hardware es libre si est´ an disponibles los “ficheros fuentes” de los planos. Nos referimos a los ficheros originales que utiliza el dise˜ nador para la especificaci´ on del hardware y que cualquier otra persona los pudiese abrir con la misma u otra herramienta de dise˜ no. Una placa de la que s´ olo se dispongan sus planos en alg´ un formato no editable, como por ejemplo PDF, no se considerar´ıa libre. Uno de los problemas que aparecen es la falta de un est´ andar abierto para la especificaci´ on de estos planos. Existen herramientas profesionales muy potentes (propietarias) cada una con su propio formato. Puede surgir la duda de si un dise˜ no hardware realizado con un programa propietario se puede considerar libre. En nuestro caso, bas´ andonos en criterios pr´ acticos, consideramos que ser´ a libre si se ofrecen las cuatro libertades del software libre, independientemente de la herramienta empleada (esto se discuti´ o en [1]). La Skypic se ha dise˜ nado con el programa Eagle[12], que no es libre, pero es multiplataforma (existen versiones para Linux, Max y Windows) y hay disponibles versiones de evaluaci´ on, de duraci´ on ilimitada que se pueden descargar de la web (de hecho, el eagle est´ a en el repositorio non-free de Debian). Todos los planos se pueden descargar de [11]. En la figura 2 se muestra el esquema completo.

VCC GND

+5v

Power U2

CT5

MAX232

2

Gra

6 14 7 13 8

IN1(T) OUT1(R) IN2(T) OUT2(R) OUT3(T) IN3(R) OUT4(T) IN4(R)

1

2

Ent

C3

Prog JP3

1uF

GND

2 1 Hembra JACK

PIC

+12V

R1

10K

GND

VCC

1 2 3

B1

L1 LED A K

1 2

JP6 DTR

PC

3 C4

V-

100n

V+

C2-

RXPC GND DTR TXPC

R11 330 A

JP2

1 2

PICXXX

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

10k

Pulsador Reset

c

GND b

c

e

b

SC107

SC107

R2 10K

GND CT1

Circuito de reloj

e

TRT1

TRT2

VCC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

X1 1

2

4Mhz GND

C1 22pF

A1 A3 A5

GND

C2

28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15

RB7/PGD RB6/PGC RB5 RB4 RB3/PGM RB2 RB1 RB0/INT VCC GND RC7/RX/DT RC6/TX/CK RC5/SD0 RC4/SDI/SDA

R13 4K7 B0

PA4

1 2 3

ICD JP5

PA7

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

1 2 3

R4

4K7

1 2 3 4 5 6

1

2

GND

JP7 SV5 1 2 3

GND

6V 9

C6 C4 C2 C0

Puerto C

GND GND

2/16/2005 13:24:22 f=0.67 /home/juan/tmp/skypic.sch (Sheet: 1/1)

T1

ICD2

VCC CT6 Servos

17

C1 C3 C5 C7

S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1

4

3

2

1

7

8

9

10

JP4

GND

8 7 6 5 4 3 2 1

2

6

ICD

Puerto B

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

4

1

5

CT4

SKY/ICD SKY

3

Prog

CT2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2

GND

GND BUS:A[0..5],B[0..7],C[0..7]

SKY

CT3

Pulsador

Pulsador de entrada

VCC

PA3

B6 B4 B2 B0

S1 3 4

JP1

Puerto A

B1 B3 B5 B7

-

VCC

PIC

22pF

GND

#MCLR/VPP RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VREFRA3/AN3/VREF+ RA4/TOCKI RA5/AN4/#SS GND OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL

A4 A2 A0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

k

GND +

GND

5 3 1

6 4 2

Top view

3 4

Reset

LED de salida

1 2

S2

R3

Figura 2. Esquema de la tarjeta Skypic

6 5 4 3 2 1

GND

C2+

C8

C7

5 11 10 12 9

T2

C1-

15

1 2 3

4

VCC

VCC

16

VCC

3

C1+

3

C6

C5

1

VCC

4.

Software

Para la programaci´ on de aplicaciones en la Skypic se puede utilizar cualquiera de las herramientas de desarrollo para Pics. Microchip ofrece las aplicaciones “oficiales”, que son propietarias y s´ olo est´ an disponibles para plataformas Windows. La comunidad ha creado sus propias herramientas libres, compatibles con las de Microchip. Entre ellas destacan las utilidades de GNU: gputils[16], que incluye un ensamblador y un enlazador entre otras. Para la simulaci´ on se puede emplear gpsim[17] y para la programaci´ on en C el compilador sdcc[18]. Tambi´en existe un entorno de programaci´ on PikDev [19], en el que est´ a todo integrado (editor, ensamblador, enlazador, programador, etc). La Skypic se ha dise˜ nado para que la grabaci´ on in-circuit de los programa ejecutables en la memoria flash del PIC se pueda realizar de diferentes maneras: Entorno Mplab y programador ICD2, de Microchip Programa Icprog, para Windows, y cable de conexi´ on paralelo para la Skypic [20]. Entorno PikDev, para Linux, y cable de conexi´ on paralelo para la Skypic En [21] planteamos un m´etodo de grabaci´ on alternativo, a trav´es del puerto serie est´ andar del PC, que permite utilizar la propia Skypic como si fuese un grabador, similar al ICD2 de Microchip (aunque sin la opci´ on de depuraci´ on). Para ello son necesarias dos tarjetas Skypic. Una que funcionar´ a como grabadora, con el servidor picp[22] en la flash, y la otra es la que se graba. La herramienta skypic-down[23], disponible para Linux bajo licencia GPL, permite escribir los programas en la flash. Este sistema de grabaci´ on tiene la ventaja de ser totalmente independiente de las caracter´ısticas del PC empleado. La temporizaci´ on se realiza en el pic del grabador. El PC s´ olo tiene que enviar la informaci´ on a trav´es del puerto serie, a una velocidad est´ andar de 9600 baudios.

5.

Aplicaciones

La Skypic es una tarjeta de prop´ osito general, muy u ´til en la construcci´ on de prototipos. Una de las aplicaciones para la que fue creada es la construcci´ on de microbots, peque˜ nos robots que la incorporan como “cerebro”, como por ejemplo el robot seguidor de l´ınea Skytritt (figura 3), una variante del robot abierto Tritt[13]. Los servomecanismos del tipo Futaba 3003 o compatibles se conectan directamente, lo que es muy u ´til para el dise˜ no y prueba de robots articulados. El programa star-servo8[14], para Linux, permite controlar hasta 8 servos desde el PC, pudiendo generar secuencias de movimiento para los robots articulados. Otro a ´mbito de aplicaci´ on es el docente. Se puede utilizar en laboratorios de arquitectura de computadores, sistemas digitales o rob´ otica. Los alumnos no s´ olo se limitar´ıan a usar la placa (libertad 0), sino que tambi´en la pueden

Figura 3. El microbot Skytritt, que utiliza la tarjeta Skypic como “cerebro”

estudiar (libertad 1) o modificar (libertad 2) para adaptarla a sus propios dise˜ nos. Tambi´en se puede tomar de ejemplo para aprender a dise˜ nar placas industriales, obteniendo la informaci´ on sobre su tecnolog´ıa de fabricaci´ on: anchura de las pistas, di´ ametro de los pads, planos de masa, serigraf´ıas, etc. Sin embargo, la mayor utilidad est´ a en el dise˜ no de prototipos. Al ser hardware libre, no es necesario “reinventar la rueda”, dise˜ nando el sistema desde cero. Es mejor opci´ on partir de algo que ya funciona y adaptarlo a tus necesidades, ahorrando tiempo y reduciendo costes. Esto es lo que se ha hecho en el proyecto Chronojump[15], en el que se est´ a dise˜ nando un sistema software y hardware para la medici´ on de los tiempos de vuelo de diferentes saltos realizados por deportistas, para conocer su estado de forma, la eficacia de un entrenamiento, la evoluci´ on del deportista, etc. Para la creaci´ on del prototipo hardware se est´ a empleando una Skypic, que m´ as adelante se modificar´ a para adaptarla a las necesidades concretas del proyecto. Si no fuese hardware libre las dos u ´nicas opciones que se tendr´ıan ser´ıan: 1) dise˜ nar el hardware desde cero, 2) Adaptar el proyecto al hardware existente en el mercado.

6.

¿Por qu´ e hardware libre?

Un dise˜ no libre lo puede fabricar, distribuir y vender cualquier empresa o persona. Esto cambia las reglas del juego. Analicemos algunas de las ventajas: Adaptar, no reinventar. En el mundo hardware, siempre se dise˜ na desde cero, reinvent´ andose constantemente la rueda. El conocimiento s´ olo est´ a disponible en el seno de las empresas fabricantes y s´ olo est´ a accesible para sus

ingenieros, que adem´ as tienen que firmar contratos de confidencialidad. El hardware libre permite que cualquiera pueda abordar proyectos complejos, adaptando el hardware existente. Hay ahorro de tiempo y dinero. Mayor perdurabilidad en el tiempo. Los dise˜ nos libres son independientes del fabricante. Si la empresa suministradora decide abandonar la fabricaci´ on, se puede buscar otra, contratar a alguien para que lo haga o bien hacerlo nosotros mismos. Deja de tener sentido la frase “ya no se fabrica ese hardware”. Monopolios no, competencia s´ı. El hardware libre garantiza la no existencia de monopolios. Cualquier empresa o particular puede fabricarlo (siempre que tenga los conocimientos y la experiencia). Aumento del conocimiento tecnol´ ogico. Se introduce una nueva dimensi´ on en el conocimiento. Los aparatos electr´ onicos no s´ olo estar´ an para ser usados, sino tambi´en para ser comprendidos y modificados. El efecto “lo uso pero no lo entiendo” desaparece. Los beneficios para la sociedad son claros, sin embargo surge la pregunta: “¿Por qu´e una empresa va a “regalar” su conocimiento “gratis” para que los competidores se aprovechen de ´el?”. Los autores no tenemos la respuesta y s´ olo el tiempo podr´ a decir si el modelo basado en el conocimiento libre triunfar´ a. El hardware libre est´ a en pa˜ nales y hoy en d´ıa, la respuesta de una empresa a la pregunta anterior ser´ıa un rotundo no. La misma respuesta que hubiesen dado las empresas de software hace diez a˜ nos. Actualmente, ya existen empresas que est´ an liberando c´ odigo. ¿Podemos esperar un comportamiento similar a largo plazo con el hardware libre? Al d´ıa de hoy, las ventajas que obtendr´ıa una empresa por liberar hardware podr´ıan ser: prestigio y reconocimiento de la comunidad, publicidad, aumento de la motivaci´ on de los dise˜ nadores, captaci´ on de desarrolladores que se involucren en nuevas versiones del hardware, aparici´ on de software libre alrededor de ese hardware, etc.

7.

El Futuro del hardware libre

Un campo especialmente activo es el del hardware reconfigurable[1], aquel que se puede describir utilizando un lenguaje de descripci´ on hardware, como VHDL o Verilog entre otros. Este hardware tiene la caracter´ısticas de ser similar al software. Los dise˜ nos quedan perfectamente definidos mediantes unos ficheros fuentes que se pueden compilar, simular, sintetizar y descargar en una FPGA. La licencia GPL se puede aplicar. Existen muchos dise˜ nos libres de este tipo y est´ an surgiendo comunidades muy importantes, como OpenCores[24]. Tambi´en existen proyectos de gran envergadura como es el procesador Sparc LEON[25], dise˜ nado por la agencia espacial europea (ESA) y distribuido bajo licencia GPL. El futuro del hardware est´ atico, el discutido en este art´ıculo, es m´ as incierto. Hasta ahora, no exist´ıan herramientas profesionales libres comparables a las

propietarias. Los pocos dise˜ nos libres que hab´ıa, estaban dise˜ nados cada uno con una aplicaci´ on diferente, lo que dificultaba su compartici´ on. Sin embargo, hace poco han liberado Kicad[26], muy similar al Eagle. Es una herramienta muy prometedora que puede conseguir que su formato se convierta en un est´ andar para los planos electr´ onicos. El impulso del hardware libre lo deben dar los miembros de la comunidad: los propios usuarios. No podemos esperar por el momento que las empresas liberen su hardware. Sin duda ser´ a un proceso lento, pero tenemos como referencia la evoluci´ on del software libre.

8.

Conclusiones y trabajo futuro

En este art´ıculo hemos presentado la tarjeta Skypic, una entrenadora para microcontroladores Pic, que tiene una licencia de hardware libre. Los “ficheros fuentes” de los planos est´ an disponibles y se conceden permisos para su uso, estudio, fabricaci´ on, modificaci´ on y redistribuci´ on de las mejoras. Las aplicaciones principales son la rob´ otica y la docencia. Tambi´en resulta muy u ´til en la realizaci´ on de proyectos que requieran el uso de un microprocesador. En vez de dise˜ nar el sistema desde cero, se puede usar la Skypic y adaptarla a las necesidades concretas. Un ejemplo es el proyecto Chronojump. El hardware libre ofrece una serie de ventajas a la sociedad, siendo quiz´ as la m´ as importante el aumento del “patrimonio tecnol´ ogico”, en el sentido de aportar no s´ olo un nuevo instrumento, sino el conocimiento de c´ omo est´ a realizado. Actualmente, los dise˜ nos libres (de tipo est´ atico) son escasos y no existe todav´ıa la suficiente masa cr´ıtica. No obstante, la idea tiene el potencial suficiente como para que se vaya extendiendo. Una sociedad tecnol´ ogica como la nuestra, no debe caracterizarse s´ olo por la existencia de gran cantidad de “aparatos” o “cajas negras” que todo el mundo usa pero que pocos conocen sus detalles internos. El hardware libre es otra pieza m´ as hacia la sociedad del conocimiento libre que muchos deseamos. Como trabajo futuro evaluaremos la herramienta libre de dise˜ no electr´ onico Kicad y la utilizaremos para rehacer los planos de la Skypic, consiguiendo as´ı una placa que adem´ as de ser libre, est´e dise˜ nada ´ıntegramente con software libre.

Agradecimientos Queremos agradecer a la empresa Ifara Tecnolog´ıas la financiaci´ on de la primera tirada de PCBs de la Skypic. Valoramos muy positivamente el que haya empresas que est´en dispuestas a dar una oportunidad a las nuevas ideas.

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