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USO DE LAS TIC EN LA DOCENCIA UNIVERSITARIA: ASIGNATURA DE DISEÑO E INGENIERÍA ELECTRÓNICA ASISTIDA (CAD/CAM/CAE) EN LA UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

Miguel Ángel Torres Portero Profesor Colaborador/ EUITIZ

Manuel Torres Portero Profesor Titular,/ EUITIZ

Síntesis: La progresiva complejidad que han ido adquiriendo los proyectos electrónicos, así como

la obligada reducción en los tiempos de desarrollo para lanzar al mercado nuevos equipos electrónicos, han impulsado extraordinariamente la utilización intensiva de las Tecnologías de la Información y Comunicación, y más concretamente de las herramientas de Diseño e Ingeniería asistida por ordenador. La vigencia comercial de los equipos y sistemas electrónicos es cada día más corta, y resulta paradójico que la misma capacidad innovadora que facilita la rápida penetración en el mercado de los nuevos desarrollos electrónicos, es la que propicia su pronta obsolescencia y su desaparición. En este entorno de constante y vertiginoso cambio tecnológico-comercial, al técnico o ingeniero de desarrollo no le queda más opción que emplear constantemente estas herramientas informáticas, como forma de acortar el tiempo transcurrido entre la concepción de un equipo y su realización práctica.

En el marco de esta realidad industrial, se presenta el enfoque didáctico implementado por los autores para la asignatura optativa de CAD/CAM/CAE, desde su inclusión en el plan de estudios de Ingeniería Técnica en Electrónica Industrial (homologación por el Consejo de Universidades en Abril de 1992), y que viene siendo impartida desde entonces en la Universidad de Zaragoza.

El modelo propuesto pretende servir de guía tanto para la enseñanza presencial como virtual; aunque en este último caso el uso intensivo del ordenador y de los soportes digitales interactivos (CD-ROM e Internet), obliga a redefinir la estructuración y navegación dentro de los contenidos, el sistema de búsqueda, el seguimiento del aprendizaje, y la realización de los ejercicios y prácticas de autoevaluación. Se pretende presentar sucintamente las potencialidades ofrecidas por el paquete CAE (Diseño e Ingeniería electrónica asistida) Protel 99 SE, utilizado

II JORNADAS DE INNOVACIÓN DOCENTE, TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y DE LA COMUNICACIÓN E INVESTIGACIÓN EDUCATIVA EN LA UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA 2008

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por los autores y para la impartición completa de la asignatura CAD/CAM/CAE dentro del plan de estudios de Ingeniería Técnica en Electrónica Industrial.

Palabras clave

TIC, CAD/CAM/CAE, ENSEÑANZA

1.- INTRODUCCIÓN El concepto CAE (Ingeniería asistida por ordenador) surge a mediados de la

década de los 80, como un conglomerado de herramientas software (programas) destinadas a facilitar la tarea de diseño, desarrollo y fabricación de prototipos electrónicos. Dentro del amplio abanico de paquetes comerciales de Diseño e Ingeniería electrónica asistida, los autores de la presente ponencia han optado por la plataforma de trabajo bajo Windows desarrollada por la firma Protel Technology.

El hecho de ser de las últimas soluciones aparecidas en el mercado, (aunque mantiene la filosofía básica de otros entornos de trabajo como Orcad, Pcad, Tango, etc), ha permitido a esta empresa australiana mantener muchas de las cualidades de sus predecesores e incorporar nuevas prestaciones y características, que a nuestro entender resultan sumamente interesantes y prácticas.

2.- DESARROLLO DEL TRABAJO

• Tecnología CAE Cliente/Servidor de Protel

EDITORDE PCB

EXPLORADORDE DISEÑO

PROCESADORDE TEXTOS

BIBLIOTECADE ENCAPSUL.

HOJA DECÁLCULO

EDITOR DEESQUEMAS

BIBLIOTECADE SÍMBOLOS

COMPILADORDE PLD/FPGA

SIMULADORDE CIRCUITOS

AUTOROUTERNEURONAL

INTEGRIDADDE SEÑALES

Fig.1 - Estructura CAE en Protel

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Como se puede apreciar en la figura 1, la arquitectura Cliente/Servidor de Protel

permite que cada herramienta de diseño haya sido desarrollada de forma separada. Por un lado está la interfaz de usuario (Cliente), y por otro las herramientas de diseño (Servidores).

En Protel 99 el Explorador de diseño (Design Explorer) es el Cliente, y cada uno de los programas de aplicación es un servidor. En definitiva, el Explorador de diseño es la plataforma software a través de la cual cada servidor actúa, y cuando un programa servidor (por ejemplo, el editor de esquemas) es activado, se personalizan los menús completos, las barras de herramientas y las teclas de función propias del editor de esquemas, dentro del entorno de trabajo del Explorador de diseño.

La originalidad de este entorno radica en que podemos ejecutar aplicaciones de distintas procedencias, de forma unificada; y al mismo tiempo todos los documentos del proyecto son almacenados en una base de datos simple, unificando y homogeneizando todos ellos.

Esta forma de proceder presenta varias ventajas: – El usuario sólo necesita familiarizarse con un entorno de trabajo: el

proporcionado por el Explorador de diseño. – Desde dentro de este entorno pueden ejecutarse multitud de aplicaciones de los

servidores CAE. –Los programas de los servidores pueden ejecutarse en forma remota desde el

terminal Cliente, bien a través de redes locales internas INTRANET de la propia empresa, o externas INTERNET.

–Los usuarios pueden intercambiar entre sí toda la información del proyecto utilizando programas distintos, a partir del mismo entorno de trabajo; contando cada uno de ellos con diferentes niveles de acceso a la documentación del proyecto.

–Los programas servidores tienen en principio un alto grado de independencia de los clientes o usuarios, con las consiguientes ventajas de mantenimiento.

Para lograr todo esto, la tecnología Cliente/Servidor de PROTEL permite la

personalización completa, como veremos, de la interfaz de usuario, incluyendo barras de herramientas y menús de edición, con soporte simultáneo de varios idiomas.

Mediante la conexión en servidores CAE, los diferentes programas pueden conectarse fácilmente al Explorador de diseño, disponiendo de opciones de macros potentes (Client Basic y Client Pascal) para automatizar tareas de diseño.

Asimismo se posibilita el enlace con el sistema de correo electrónico de Microsoft (Microsoft mail) para la transmisión de planos, proyectos y librerías, a través de la red. Disponiendo de un editor de textos inteligente que mejora el proceso de edición de documentos del entorno CAE, mediante el uso de sintaxis programable, con posibilidad de resaltar palabras clave.

Cada programa servidor es, por tanto, un módulo activado y controlado desde el Explorador de diseño; esto es posible porque cada aplicación es una librería de funciones y procedimientos (DLL).

En Protel 99 los programas servidores están agrupados en tres categorías: a) Editores de documentos: Éstos son el Editor de Esquemas y el Editor PCB. El

primero de ellos constituye la parte central o núcleo de referencia de todo el conjunto; de forma general el proceso de diseño electrónico comienza con la realización del

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esquema general o circuito electrónico; y la captura de un esquema es el proceso de definición de un circuito, o conjunto de los mismos, en un sistema de diseño asistido por ordenador; realizando la conexión de los elementos en forma física y mediante un fichero de Netlist (interconexionado).

En principio el uso del capturador de esquemas es similar al método tradicional de dibujo, donde los símbolos normalizados de los elementos, que se encuentran en las correspondientes bibliotecas, se interconexionan entre sí. Pero usando el diseño asistido por ordenador se produce una automatización del proceso de dibujo, ya que es posible no sólo crear nuevos componentes a través del Editor de bibliotecas de símbolos; si no que la totalidad o parte del esquema puede formar parte de la correspondiente biblioteca de esquemas.

El segundo de los editores: Editor de Circuitos impresos, posibilita el enlace integral entre el diseño conceptual del circuito (esquema), y la expresión física del mismo obtenida a través de la placa PCB y el conexionado mediante pistas de los componentes del circuito.

b) Utilidades: Estos programas trabajan como módulos auxiliares de los editores

de documentos. Por ejemplo el Autorouter neuronal, que permite el trazado automático de las pistas, y el Analizador de integridad de las señales en la placa PCB, son bloques auxiliares del Editor PCB. Igualmente, y según se aprecia en la figura 1, el Simulador de circuitos permite construir un modelo matemático completo del circuito realizado con el Editor de esquemas, de manera que sea posible evaluar la respuesta ante un amplio margen de estímulos de entrada y parámetros ambientales. Este tipo de análisis precede a la etapa de realización física del prototipo, y permite detectar errores en la fase de desarrollo donde son más fáciles y menos costosos de solventar.

c) Asistentes: Actúan como Sistemas expertos que guían al usuario paso a paso a

la hora de realizar operaciones complejas. En Protel 99 hay múltiples asistentes; uno de ellos es el que permite crear de modo guiado encapsulados nuevos.

Finalmente, según se refleja también en la figura 1, el Explorador de diseño

enlaza (a través de la tecnología OLE de Windows) con otras aplicaciones instaladas en la Estación de desarrollo: el procesador de textos Word y la hoja de cálculo Excel. Aplicaciones que como sabemos resultan extremadamente útiles para la obtención de la documentación del proyecto.

• Instalación y características de Protel 99 SE

PROTEL 99 SE opera con Windows 95 o NT, proponiéndose dos configuraciones hardware:

Configuración mínima CPU Pentium. Memoria RAM 32 Mbytes. 200 Mbytes de espacio en disco duro para instalación mínima. Configuración recomendada CPU Pentium II. Memoria RAM 64 Mbytes. 300 Mbytes de espacio en disco duro para instalación completa.

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Respecto a la resolución gráfica, se precisa una tarjeta de al menos 800 x 600

píxeles; y como en cualquier aplicación CAD el tamaño del monitor y su resolución condicionarán la productividad y eficacia del Sistema.

En cuanto a los requerimientos para impresión y/o ploteado, si se trata de prototipos puede utilizarse cualquier periférico compatible Windows, incluyendo impresoras matriciales, láser y Postscript; así como cualquier Plotter que soporte los lenguajes HP-GL o DM-PL. Igualmente es posible controlar Fotoplotter en formato GERBER.

Por lo que se refiere a sus características más sobresalientes, son las siguientes: Código en 32 bits optimizado especialmente para Windows NT. Entorno de trabajo único, que integra todas las herramientas del diseño: Editor

SCH, Editor PCB, Simulador, Autorouter, Procesador de texto, Hoja de cálculo, etc. Posibilidad de realizar el proyecto entre múltiples diseñadores (Smart Team), a

través de red, con diferentes niveles de acceso para los usuarios. Librería del Editor de esquemas con más de 65.000 símbolos. Sincronización del diseño PCB-Esquema o sentido inverso Esquema-PCB. Simulación mixta (analógico-digital) del esquema completamente compatible

con SPICE 3f5; con posibilidad de visualizar simultáneamente dos tipos de forma de onda en la pantalla, por ejemplo frecuencia y fase.

Cableado guiado interactivo con uniones eléctricas automáticas. Edición global de los componentes (atributos), y aplicación de los cambios a

todos los elementos del plano o diseño. Generación de múltiples formatos de NETLIST, así como variados ficheros de

reportaje y listados de materiales. Alta calidad en los documentos obtenidos, y compatibilidad total con Drivers

para Windows. Diseño de lógica programable desde el editor de esquemas, con soporte para

dispositivos universales. Autorouter neuronal integrado en el editor PCB, usando técnicas de inteligencia

artificial para obtener placas de circuito impreso profesionales. Compatibilidad con diseños ORCAD V7, e importación/exportación en formato

DXF/DWG (Autocad). Chequeo de integridad de las señales en la PCB con el fin de detectar

impedancias potenciales, retardos de propagación, diafonías, etc. Asistentes integrados para realizar tareas complejas como creación de

encapsulados, generación de listados de materiales, características básicas de la PCB, compilación PLD, etc.

Colocación automática de los componentes sobre la placa, con posibilidad de agrupar los mismos por bloques de características homogéneas.

• El Explorador de diseño

Como ya se ha avanzado, el Explorador de diseño (Design explorer) constituye el enlace del usuario con las diferentes herramientas de diseño; este explorador permite crear y guardar todos los documentos del proyecto (planos y textos) en una base de datos del diseño.

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Fig.2 - Explorador de diseño Como se aprecia en la figura 2, cada documento aparece en una ventana, y es

posible crear y trabajar con diseños simples o jerárquicos, así como realizar operaciones habituales como copiar, recuperar información del portapapeles (paste), mover entidades, borrar, etc.

Analicemos brevemente sus diferentes áreas y las posibilidades de trabajo: Gestor de proyectos (Design manager): Aparece a la izquierda de la pantalla y

visualiza el árbol de los documentos abiertos, así como la relación existente entre ellos. Podemos activar cualquier documento pulsando con el ratón (botón izquierdo) sobre alguno de ellos; haciendo clic sobre el icono, o se expande o se contrae la estructura de documentos y subdocumentos.

En el caso de que Protel 99 SE trabaje en red, en la parte superior aparece el listado de las estaciones de desarrollo activas. Igualmente se relaciona justamente debajo a los integrantes del equipo de trabajo (Design team) y sus niveles de acceso al proyecto.

Área de menús completos: En la parte superior de la pantalla, incluye todos los comandos (órdenes) ejecutables desde el Explorador de diseño. El botón permite configurar y personalizar el entorno de trabajo general, como veremos más adelante.

Barra de herramientas: Algunos de los comandos de uso más frecuente dentro del Explorador de diseño, aparecen representados en forma de iconos. Su localización por defecto es debajo del área de menús completos, aunque puede ubicarse si se desea en cualquier esquina de la pantalla, o en forma flotante.

Barra de estado/comando: Localizada en la parte inferior de la pantalla, proporciona información sobre las coordenadas del cursor, el proceso que se está ejecutando, así como una descripción breve de dicha operación.

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Ventanas de diseño: Cada tipo de documento será editado en una ventana distinta (Design window); por ejemplo, el esquema será visualizado en la ventana del Editor de esquemas, la placa de circuito impreso se presentará en la ventana del Editor PCB, etc. Por supuesto que cuando se activa alguna de las ventanas, los comandos que aparecen en el Explorador de diseño serán los correspondientes al editor activo; y lo mismo ocurre cuando realizamos, dentro de una ventana, un doble clic con el botón derecho del ratón y aparece el menú de contexto.

Generalmente, y para cualquier editor activo, los comandos pueden ejecutarse de

tres formas distintas, éstas son: 1. Mediante menús desplegables. Esta forma incluye todos y cada uno de los

comandos agrupados en bloques homogéneos, en la figura 3 aparece el menú View dentro del Explorador de diseño.

Fig.3 -Menús desplegables 2. Utilizando barras de herramientas (figura 4) en forma de iconos que

representan acciones concretas; dichos iconos se corresponden con los comandos de uso más frecuente.

Fig.4 -Barra de herramientas

3. Mediante teclas de acceso directo, que permiten al usuario avanzado ejecutar

comandos de forma rápida y directa. Por ejemplo el comando PLACE PART (colocar componentes), se ejecutaría de forma inmediata pulsando sucesivamente las teclas p, p.

Creación de una base de datos para el diseño o proyecto Para crear una nueva base de datos del diseño se deberá abrir un fichero

principal con la extensión ddb, para ello seleccionaremos en el menú completo la opción File/New Design, apareciendo la ventana de la figura 5.

Este fichero principal puede ser almacenado en dos formatos distintos: Formato MS-ACCESS. Sistema de ficheros Windows. Aunque en ambos casos la gestión de los documentos por parte del Explorador

de diseño es idéntica, no podremos incorporar documentos nuevos a la base de datos directamente mediante el Explorador de Windows, si el formato es de ficheros de Windows. Estos documentos deben ser importados a la base de datos antes de poder ser abiertos.

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Fig.5 - Creación de un nuevo diseño

Por el contrario, si el formato de la base de datos para el diseño es el de MS-

ACCESS es posible, además de incluir documentos dentro de la misma, realizar una protección por contraseña de los ficheros.

. Creación de nuevos documentos en la base de datos Para crear un nuevo documento, una vez posicionados mediante el Gestor de

proyectos en el directorio Documents, activaremos el menú File/New, apareciendo la ventana de la figura 6 que permite escoger el tipo de documento a crear.

Fig.6 -Apertura de documentos nuevos

Una vez seleccionado el tipo de fichero, y, por tanto, el editor necesario, será

posible cambiar el nombre que aparece por defecto renombrando el fichero con la opción Edit/Rename; o bien activando esta opción colocando el cursor del ratón sobre el fichero y pulsando el botón derecho.

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Por ejemplo, si deseamos crear un fichero de esquema, seleccionaremos el icono Schematic document, que arranca el Editor de esquemas de Protel, y aparece en el Gestor de proyectos el nombre por defecto Sheet1. Si queremos cambiar el nombre a este fichero y llamarlo, por ejemplo, Fuente de alimentación, procederemos a renombrarlo actuando con el botón derecho del ratón sobre dicho fichero.

Conviene insistir aquí en la posibilidad que tiene el Explorador de diseño, de crear no solo documentos específicos de Protel (Esquemas, planos PCB, etc.), sino documentos que no son de Protel. Siempre que cualquier documento haya sido creado por un servidor OLE podrá ser gestionado por el Explorador de diseño.

En la figura 7 se tiene un ejemplo de lo dicho. Aunque estos documentos no-Protel están asociados con el proyecto dentro de la base de datos, está claro que serán manipulados dentro del programa en cuestión: Word, Excel, Adobe Acrobat, etc.

Igualmente la ventana Wizard permite la creación de algunos documentos mediante Asistentes o Sistemas expertos que guían al usuario sobre el proceso de creación de los mismos.

Fig.7 - Documentos nuevos asociados a la base de datos

3.- CONCLUSIONES O CONSIDERACIONES FINALES

Se han presentado sucintamente las potencialidades ofrecidas por el paquete CAE (Diseño e Ingeniería electrónica asistida) Protel 99 SE, utilizado por los autores para la impartición completa de la asignatura CAD/CAM/CAE dentro del plan de estudios de Ingeniería Técnica en Electrónica Industrial.

Desde su puesta en marcha en el curso 1992-1993, el éxito de matriculación en esta asignatura ha sido total, hasta el punto de constituir la única asignatura optativa impartida dentro de la Universidad de Zaragoza con limitación en el número de alumnos/as admitidos.

A ello ha contribuido sin duda la elección del citado entorno de trabajo Protel 99 SE, que posibilita la realización del Sistema electrónico entre alumnos/as formando grupos de trabajo (Design team), cada uno de los cuales se encarga de un bloque o

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módulo distinto; para posteriormente integrar todas las partes en un solo conjunto homogéneo, cuyo funcionamiento se comprueba (simulación) antes de elaborar costosos prototipos.

Igualmente la utilización de la citada plataforma de trabajo permite seguir en tiempo real el desarrollo del diseño y fabricación del equipo, y mantener una observación permanente en cuanto a la ejecución del proyecto; con la posibilidad de aportar inmediatamente soluciones pertinentes que pueden surgir ante las eventuales dificultades prácticas.

Referencias bibliográficas y citas 1. TORRES PORTERO, Manuel, “Diseño e Ingeniería electrónica asistida por ordenador en Protel”. España: Editorial RA-MA. 1988. ISBN 84-7897-340-0

2. TORRES PORTERO, Manuel, “Diseño e Ingeniería electrónica asistida sobre Protel”. España: Editorial RA-MA. 2000.ISBN 84-7897-449-0.

3. TORRES PORTERO, Miguel Ángel, “Proyectos sobre soportes digitales con capacidades interactivas y multimedia”. Universidad de Zaragoza. Col. Textos Docentes.