Banda transportadora-controlada-con-fpga

1. U. ECCI JECC 2016
BANDA TRANSPORTADORA CONTROLADA CON FPGA
EN VHDL
Sergio Andrés Moya Suescún, Deivi Maicol Sacristán, Cristhian Garzón
Sergio.moyas@ecci.edu.co, sacristan.07@gmail.com, Cristhian.garzon@mail.tigo.com.co
Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales
Bogotá D.C. – Colombia
Resumen – Este proyecto consiste en la aplicación de
máquinas de estado desarrolladas con FPGA en este
caso en particular con la BASYS 2, para ello
desarrollamos un proyecto sencillo que consiste en
controlar un banda transportadora, que es una
herramienta altamente usada en el sector industrial.
Con esto demostraríamos también la versatilidad de
una FPGA con las diferentes aplicaciones que se
pueden realizar sobre ella, todo esto desarrollado con
lenguaje VHDL [1] y probado sobre un prototipo de
banda transportadora.
Abstract – This project involves the implementation of
state machines developed with FPGA in this case in
particular with the BASYS 2 We develop a simple project
consisting of controlling a conveyor belt, which is a
highly used tool in the industrial sector. With this also
would demonstrate the versatility of an FPGA with
different applications that can be develop on it, all
developed with VHDL and tested on a prototype
conveyor belt.
Palabras clave – Maquina de estados, FPGA, VHDL,
Banda transportadora, Basys 2.
I. INTRODUCCION
Teniendo en cuenta el desarrollo de este proyecto,
seleccionamos como prototipo una banda transportadora,
los motivos que nos impulsaron a tomar esta opción,
fueron el evidente uso cotidiano de estas tanto en los
sectores industriales como herramienta de optimización
de procesos, así como la posibilidad de extrapolarlo y
darle nuevas aplicaciones como transporte de vehículos
en parqueaderos automatizados, cosa que se ha visto
actualmente en desarrollos de países como Japón y
Alemania o tal vez,
Porque no, poderla adecuar y usar como una ayuda de
movilización y transporte dentro de sitios públicos para
personas discapacitadas.
Estos motivos y adicionando que el uso de las FPGA se
han ido expandiendo como una poderosa herramienta
dentro de la electrónica digital, quisimos unir y
demostrar la versatilidad de estas y su posibles usos en
la solución de problemas cotidianos que involucran el
bienestar no solo del ser humano sino también de los
sectores productivos del país.
II. DISEÑO Y DESARROLLO
Basándonos en los diseños tradicionales y comerciales
de bandas transportadoras, conocemos que estas tienen
para su funcionamiento distintas componentes que
constituyen cada una de las etapas para su
funcionamiento.
Empezamos a describir que hay unas bandas que están
constituidas por rodillos y otras por cintas y en necesario
el uso de un motor que transmite el movimiento a la
banda, por supuesto una etapa de control que en el caso
particular de este proyecto es la parte que queremos
desarrollar e implementar y acoplar al mecanismo que se
menciona, y una etapa de potencia la cual soporta debe
tener la suficiente potencia para soportar la carga del
motor que a su vez debe tener o proporcionar la fuerza
necesaria para la aplicación que se quiere.
Visto e identificado lo anterior a continuación
describiremos como en este proyecto haremos o
supliremos cada una de las etapas, de manera ilustrativa,
deteniéndonos en la parte de control sobre la FPGA
BASYS 2 el cual es el principal objeto de esta
implementación.

2. U. ECCI JECC 2016
A. ESTRUCTURA DE LA BANDA
La banda fue construida sobre una base que la cual
sostiene los dos ejes de la misma, estos ejes se encuentra
uno en cada extremo de la banda, adicionalmente el
motor que se usa para generar el movimiento de la misma
esta acoplado directamente a uno de los ejes asi haciendo
una transferencia de movimiento gracias a la misma
banda que se usa [2], como esto es un prototipo usamos
una banda de caucho la cual proporciona la suficiente
firmeza pero a la ves elasticidad en el movimiento de
giro.
De acuerdo a esta descripción general, enumeramos los
materiales que se usaron en esta construcción del
prototipo.
 Ejes: se usan como soporte de la banda y los ejes de
la misma.
Figura 1. Ejes o rodillos usados en bandas transportadoras
 Banda de caucho: es usada para el soporte de los
objetos a transportar en ella, además de transferir el
movimiento de un eje al otro.
Figura 2.Cinta de caucho
 Rodamientos: Usamos rodamiento sobre los
ejes para disminuir el rozamiento y por ende la
potencia del motor a usar ya que el principal
objeto de este proyecto es la parte control de la
banda mas no la etapa de potencia.
Figura 3.Rodamiento de balineras
B. MOTOR Y POTENCIA
En el diseño del proyecto, esta como objetivo principal
hacer no solo la banda sino que esta sea controlada por
medio de una tarjeta digital de desarrollo (Basys 2), lo
que nos lleva a detenernos en las características técnicas
de estas [3], en ella encontramos que las salidas digitales
tienen las siguientes características:
“Los pines I/O sobre Xilinx FPGAs suministran una
tensión de 3.3V y generalmente tienen un suministro de
corriente de 24mA en el rango de error
+/-5mA a +/-10mA” [3]
De acuerdo a esta información evidentemente no es lo
suficiente para un motor, por lo que se hace necesario
acoplar la carga a una etapa de potencia que le suministre
la tensión y corriente necesaria para desarrollar la fuerza
que es indispensable para mover la banda, por lo tanto
usamos una fuente externa para alimentar el motor, lo
que hacemos es controlar el ON/OFF del suministro de
la fuente con un relevo que si es gobernado con
suficiencia por las salidas de la Basys 2.
A continuación podemos ver los elementos usados en
esta etapa de potencia con sus respectivas características.

3. U. ECCI JECC 2016
 Motor DC: Usado para el movimiento de la
banda.
Características: 12V – 50mA-150mA
Figura 4.Motor DC, 12V
 Relay y Fuente DC:
El relay permite la conmutación de la fuente
controlada por una bobina que se energiza con
los pines I/O de la Basys 2.
Características: 3VDC – 28VDC 10A
La fuente es usada para dar la alimentación
directa para el motor.
Características. 12Vdc – 2A
Figura 5. Relay y fuente DC
 Componentes Electrónicos:
- 4 relay 12v
- 4 transistores 2N3904 [6]
- 4 resistencias 10kΩ
- 4 diodos 1N4001
Montaje Etapa de Potencia: Como se especificaba es
necesario acoplar la carga del motor a una etapa de
potencia, lo que hicimos fue llevar las salidas de control
de la FPGA, hacia la base de los transistores 2N3904 de
forma que fuesen excitadas por medio de la resistencia
limitadora, asi darle paso a la energización de la bobina
del relevo en el colector del transistor. Al conmutar los
relevos da paso entre alimentación de 12VDC y GND de
la fuente así, el motor puede trabajar con la potencia que
necesita para su desempeño óptimo.
Figura 6. Circuito etapa de potencia
En la figura 6, se muestra el circuito es de aclarar que
este circuito es para uno de los dos pines de
polarización del motor es decir que necesitamos dos
circuitos como el anterior para poder controlar el motor
según nuestro diseño de la máquina de estados.
C. CONTROL EN VHDL CON FPGA
Para realizar el control de la banda usamos la versatilidad
de la tarjeta de desarrollo con FPGA llamada Basys 2
(ver figura 6), con un código en lenguaje VHDL, que
describirá el comportamiento de nuestro prototipo.
Figura 7. Basys 2 –FPGA

4. U. ECCI JECC 2016
Para ellos nos basamos en los fundamentos teóricos de
las máquinas de estado, realizamos el estudio de los
estados, transiciones, sensores y comportamiento de los
actuadores para realizar la máquina de estados.
De acuerdo a esto planteamos el funcionamiento:
Se trata de una banda que está pensada para que
transporte un objeto desde el inicio hasta el final de la
misma, el motor debe empezar a avanzar cuando el
sensor que está ubicado en el inicio de la banda detecte
una pieza y debe parar cuando el sensor del final de la
banda detecte que el objeto efectivamente ha llegado al
final de la banda, adicionalmente a eso se piensa en una
eventual alerta en el sistema que nos haga llevar la banda
en sentido opuesto o detenerla, por ello ponemos un
pulsador de emergencia que al oprimirlo da reversa a la
banda es decir pone en marcha el motor en sentido
contrario y se detiene luego de soltar el pulsador.
Marco Humanístico:
Uno de los objetivos que nos planteamos, fue que este
proyecto podría servir de manera efectiva en alguna
cotidianidad de las personas, es como podemos aplicar
una sistema de estos al transporte de personas con
discapacidad motora dentro de recintos cerrados, como
hospitales, centros comerciales, estaciones de sistemas
pesados de transporte; Además de eso podemos aplicarlo
al transporte de elementos en la industria de los
automóviles, como parqueaderos [6] etc.
 Máquina de estados:
Figura 6. Circuito etapa de potencia
Tabla 1.Tabla de estados y acciones
Sensor Acción
𝑆1 Hay pieza al inicio
𝑆1̅̅̅ NO hay pieza al inicio
𝑆2 Hay pieza al final
𝑆2̅̅̅ No hay pieza al final
𝑆3 Botón de emergencia activo
𝑆3̅̅̅ Botón de emergencia inactivo
Tabla 2.Tabla acción de sensores
Figura 8. Grafica de estados y transiciones
Estado
anterior
A B
Ecuación
de
transición
Estado
siguiente
A* B*
E0 0 0 𝑆1 𝑆2̅̅̅ E1 0 1
E0 0 0 𝑆1̅̅̅ 𝑆2̅̅̅ 𝑆3̅̅̅ E2 1 0
E1 0 1 𝑆1̅̅̅ 𝑆2 E0 0 0
E1 0 1 𝑆1̅̅̅ 𝑆2̅̅̅ 𝑆3 E2 1 0
E2 1 0 𝑆1̅̅̅ 𝑆2̅̅̅ 𝑆3 E0 0 0
Tabla 3. Tabla de estados anteriores
Ecuaciones de salida:
𝑨 = 𝑺𝟏 𝑺𝟐̅̅̅̅
𝑩 = 𝑺𝟏̅̅̅̅ 𝑺𝟐̅̅̅̅ 𝑺𝟑
Teniendo planteada y solucionada la máquina de
estados, se transcribe de manera funcional en el software
ISE Xillinx [4], el cual es el que genera el archivo código

5. U. ECCI JECC 2016
con el que la FPGA basys2 realiza el comportamiento
que se ha diseñado.
D. PROGRAMACION FPGA
Luego de obtener las ecuaciones de nuestra máquina de
estados, estas son las que nos van a determinar como se
va a comportar nuestro sistema; como sabes la
implementación se puede hacer por medio de código
VHDL o de un archivo esquemático, en este caso
determinamos que es más dúctil realizarlo por medio de
un archivo esquemático (figura 9) dada la sencillez de las
ecuaciones.
Figura 9. Esquemático –FPGA
Adicionalmente es necesario hacer la programación y
relación de las variables de entrada y salida en nuestro
bloque del esquemático, con los pines físicos de la FPGA
Basys2, así fue la asignación de pines:
NET "CLK1" LOC = "B8"; # Bank = 0, Signal name = MCLK
NET "s1" LOC = "B2" | DRIVE = 2 | PULLUP ;
NET "s2" LOC = "A3" | DRIVE = 2 | PULLUP ;
NET "s3" LOC = "J3" | DRIVE = 2 | PULLUP ;
NET "A" LOC = "C6" | DRIVE = 2 | PULLUP ;
NET "B" LOC = "B6"| DRIVE = 2 | PULLUP ;
Allí podemos observar que CLK1 es nuestra entrada de
reloj así como s1,s2 y s3 son nuestros sensores que son
respectivamente asignados a los pines B2, A3, J3;
también vemos que las salidas a las resistencias de bases
que controlan los pines del motor A y B están
respectivamente asignados a los pines C6 y B6.
III. CONCLUSIONES
 Se evidencia la versatilidad de las FPGA como
herramientas de desarrollo digital, y lo flexible
que puede ser en cuanto a adaptarse a grandes
proyectos en donde se use toda la capacidad de
esta o a proyectos sencillos como este es el caso.
 Se ratifica que esta tarjeta es solo una
herramienta de control, ya que no es posible
acoplar directamente las salidas de la FPGA con
los actuadores, tanto por protección de la misma
como por insuficiencia de potencia para soportar
la carga de estos.
 Nos presenta una herramienta de automatización
con el cual se puede desarrollar pequeños
automatas que ayudan al beneficio del ser
humano.
IV. REFERENCIAS
1. Microelectrónica curso 01/02 (2002), Lenguaje
VHDL,[online].Available:
http://serdis.dis.ulpgc.es/~itis-
dl/Teoria%20VHDL/Lenguaje%20VHDL%20
EUP%20Teruel.pdf
2. Innova Ingeniería (2009), Cintas transportadoras
y componentes, [online]. Available:
http://www.innova-
ing.com/productos/ver/cintas-transportadoras-
y-componentes
3. Digilent (2011), Digilent Pmod™ Interface
Specification, [online]. Available:
https://www.digilentinc.com/Pmods/Digilent-
Pmod_%20Interface_Specification.pdf
4. Xilinx (2016), ISE Design Suite, [online].
Available:
http://www.xilinx.com/products/design-
tools/ise-design-suite.html
5. Geen Parking Colombia (2014), Parqueaderos
automáticos, [online]. Available:
http://www.greenparkingcolombia.com/

6. U. ECCI JECC 2016
es/productos-parqueo-
movilidad#bandatransportadora
6. STMicroelectronics (2003), 2N3904 Datasheet,
[online]. Available:
https://www.sparkfun.com/datasheets/Compone
nts/2N3904.pdf
Autores: Cristhian Garzón Arévalo
Sergio Andrés Moya Suescún:
Deivi Maicol Sacristan Puerto:
Nacido en Bogotá D.C – Colombia, el
12 de Junio de 1985, estudiante de
ingeniería electrónica en la Universidad
Escuela colombiana de carreras
industriales, con tecnología en el
Electrónica Industrial y tecnología en
telecomunicaciones, A nivel laboral el
desempeño a estado orientado en el
sector de Telecomunicaciones.
Nacido en Bogotá D.C – Colombia, el
24 de octubre de 1988, estudiante de
ingeniería electrónica en la Universidad
Escuela colombiana de carreras
industriales, con tecnología en el
Electrónica Industrial y Estudios de
ingeniería Mecatrónica, A nivel laboral
el desempeño a estado guiado en el
sector de la seguridad electrónica.
Nacido en Santa María - Boyacá
Colombia, el 25 de Agosto de 1989,
estudiante de ingeniería electrónica en
la Universidad Escuela colombiana
de carreras industriales, con
tecnología en el Electrónica Industrial
y Técnico Profesional en
Mecatrónica, A nivel laboral me
desempeño en la industria de Tubos
Sistemas desempeñando el cargo de
Instrumentista de Mantenimiento. en
el sector de la seguridad electrónica.