ROBOTICS TXT 4.0 Base Set
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Los ordenadores se han convertido en parte integrante de nuestro mundo moderno. Nos rodean no sólo en forma de ordenadores personales, portátiles o tabletas: los llevamos en el bolsillo del pantalón como teléfonos inteligentes, están en nuestros coches, en lavavajillas y lavadoras, en los mandos de la calefacción, en las bicicletas eléctricas y en las cafeteras. 

Año tras año, se vuelven más potentes y, al mismo tiempo, más pequeñas y compactas. Como consecuencia, sus campos de aplicación también aumentan, ya que ahora pueden adaptarse a la aplicación respectiva e integrarse en ella como "sistemas embebidos". Utilizan sensores para detectar y "medir" su entorno y controlar motores, LED u otros actuadores. Mediante modernas tecnologías de comunicación inalámbrica, como WLAN o Bluetooth, pueden conectarse en red e intercambiar datos entre sí o con un centro de control. 

Pero, ¿cómo funcionan estos sistemas embebidos y su respectiva "pieza central", el microprocesador? ¿Qué es un microcontrolador y cómo se utiliza para registrar y analizar los datos de los sensores? ¿Cómo se controlan los sistemas móviles, por ejemplo robots o vehículos? ¿Cómo pueden comunicarse los sistemas entre sí e intercambiar datos? 
Esta unidad de aprendizaje se centra en la comprensión de los microcontroladores y su uso. Se explican los fundamentos centrales y se profundiza en su aplicación práctica en los ejercicios (tareas). Se presentan varias áreas importantes de aplicación de los microcontroladores: Medición, comunicación, codificación y encriptación, control y regulación, robótica y conducción autónoma.

Definición 

Un microcontrolador es un sistema de control compuesto por un microprocesador y una serie de entradas y salidas. A las entradas se conectan sensores o memorias, mientras que a las salidas se conectan actuadores como motores, LED o pantallas. Los microcontroladores tienen una memoria de trabajo volátil (RAM), que se borra al apagarse, y suelen tener también una EEPROM en la que se pueden almacenar permanentemente programas y datos. A diferencia de los portátiles y los PC, no disponen de teclado como unidad de entrada ni de pantalla como unidad de salida, sino que deben controlarse por separado.  

Entre los representantes más conocidos y extendidos de este tipo de microcontroladores se encuentran el Arduino, el BBC micro:bit, el Calliope Mini y el controlador TXT de fischertechnik.

La pieza central del microcontrolador es un microprocesador. En sí, un microprocesador es un circuito integrado (CI) que carga instrucciones y datos de una memoria (temporal) -llamada memoria de acceso aleatorio (RAM)- en los registros del CI, los procesa en una unidad de cálculo y almacena el resultado de nuevo en la RAM. Un microprocesador se compone esencialmente de transistores, "interruptores" electrónicos que reconocen exactamente dos estados: "Encendido" y "Apagado". Estos transistores pueden utilizarse para construir circuitos lógicos como enlaces "y", "o" y "no". Los resultados se almacenan en un "flip-flop", un interruptor basculante estable (para más detalles, consulte el recuadro didáctico "Electrónica").  

Un cristal de cuarzo ajusta el reloj del microprocesador, es decir, la velocidad a la que éste procesa las órdenes y los pasos de cálculo internos. Las instrucciones se especifican en un código máquina (que varía según el tipo de microprocesador) y constan de una orden (por ejemplo, "sumar dos valores") y, según la instrucción, varios parámetros (por ejemplo, los dos valores que hay que sumar o los registros en los que se almacenan los valores).  

El rendimiento del microprocesador viene determinado por la velocidad del reloj, la anchura de los datos en bits (que indica lo grandes que pueden ser las direcciones y valores que las instrucciones del microprocesador pueden procesar en un solo paso) y el propio código máquina: Cuanto más complejas sean las instrucciones que puede ejecutar el CI, más rápido será, por regla general, el procesamiento de los datos. Para acelerar el acceso a la RAM, muchos microprocesadores actuales contienen su propia memoria caché en la que almacenan temporalmente las instrucciones y los datos durante el procesamiento.  

Los microprocesadores utilizados hoy en portátiles y PC pueden procesar datos de 64 bits de longitud (valores, direcciones RAM), contienen varios miles de millones de transistores y funcionan a varios GHz (miles de millones de oscilaciones por segundo). Pueden compartir el trabajo ("multinúcleo") y tienen muchos megabytes de memoria caché. En los microcontroladores actuales se suelen utilizar microprocesadores con una anchura de palabra de 32 bits y una frecuencia de reloj inferior a un GHz, lo cual es, con mucho, suficiente para las tareas de un microcontrolador.

Historia 

Desde la antigüedad se ha experimentado con autómatas, construcciones que, impulsadas por aire o agua, realizan trabajos de forma autónoma, ejecutan secuencias de movimientos predefinidos o incluso producen música. En el siglo XV d.C., Leonardo da Vinci (1452-1519) construyó numerosas máquinas que impresionaron al pueblo y a la nobleza en teatros y cortes reales. Wolfgang von Kempelen (1734-1804) construyó un sintetizador de voz funcional en 1791. El sistema de control por tarjetas perforadas para telares mecánicos desarrollado por Joseph-Marie Jacquard (1752-1834) en 1805 se considera el primer "autómata programable". 

Sin embargo, el gran avance para el desarrollo de sistemas de control flexibles no llegó hasta el desarrollo del ordenador. La invención del circuito integrado (CI) en 1958/1959 por Jack Kilby (1923-2005) y Robert Noyce (1927-1990) y el desarrollo del microprocesador en 1971, inventado y patentado por los ingenieros de Texas Instruments, hicieron posibles controles muy flexibles, ligeros, rápidos y sin desgaste, pero sobre todo programables. El primer microprocesador, el TMS1000, contenía 8.000 transistores. Desde entonces, el número de transistores de un microprocesador se ha duplicado aproximadamente cada 18 meses. Esta evolución también se conoce como "Ley de Moore", en honor a Gordon Moore (*1929), que dedujo esta correlación en 1965 a partir del desarrollo de los circuitos integrados en los años anteriores. Los microprocesadores actuales constan de varios miles de millones de transistores y apenas son mayores que el TMS1000.

¿Cómo se determina la temperatura con un termistor? 

Un termistor (también conocido como termistor o resistencia NTC) es una resistencia cuyo valor de resistencia cambia en función de la temperatura. Los termistores tienen un coeficiente de temperatura negativo (NTC), es decir, el valor de la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. El siguiente diagrama muestra la característica de resistencia del termistor fischertechnik.

El termistor fischertechnik tiene un valor de resistencia de 1,5 kOhmios a 25°C. Como puede observarse en el gráfico, la curva característica del termistor no es lineal. Sin embargo, se puede aproximar el valor de temperatura de forma razonablemente precisa utilizando una curva lineal. Para ello hay que determinar un segundo valor de medición y calcular a partir de él la ecuación de la función lineal. 
El termistor fischertechnik tiene un valor de resistencia de 1,5 kOhmios a 25°C. Como puede observarse en el gráfico, la curva característica del termistor no es lineal. Sin embargo, se puede aproximar el valor de temperatura de forma razonablemente precisa utilizando una curva lineal. Para ello, debe determinarse un segundo valor medido y calcular a partir de él la ecuación de la función lineal. 

Para un cálculo más preciso del valor de temperatura T (en Kelvin) a partir del valor de resistencia R de una resistencia NTC, se suele utilizar la siguiente ecuación de Steinhart-Hart:

1/T=a+b(lnR)+c(lnR)³.

La temperatura en °C se obtiene a partir de T restando 273,15.

Con dos valores medidos adicionales (además del valor de resistencia de 1,5 kOhmios a 25 °C), podemos establecer un sistema de ecuaciones con las tres incógnitas a, b y c. No tenemos que resolver este sistema de ecuaciones nosotros mismos. No tenemos que resolver este sistema de ecuaciones nosotros mismos: En la página web de Stanford Research Systems hay una "Calculadora de termistores" que calcula los parámetros de la ecuación de Steinhart-Hart que buscamos a partir de los tres valores medidos. 

¿Qué es la redundancia?

En teoría de la información, la redundancia se refiere a los datos que pueden omitirse sin pérdida de información. Un código es redundante si requiere más bits que el mínimo necesario para representar los distintos caracteres. Si todos los caracteres del código tienen la misma longitud, el número de bits adicionales del código que no son realmente necesarios para la representación de la información indica su redundancia. Por ejemplo, si queremos codificar una simple señal 1/0, sólo necesitamos un bit. Sin embargo, si codificamos la señal con los dígitos "1" y "0" (como caracteres ASCII), nuestro código requiere ocho bits. Por tanto, la codificación tiene una redundancia de siete (bits):

Redundancia = log₂ (número de palabras de código posibles/número de caracteres a codificar).

 En nuestro ejemplo, la redundancia es, por tanto, log₂ (2⁸/2) = log₂ (2⁷) = 7.

¿Cómo funciona la encriptación?

La encriptación de datos (también conocida como cifrado) se utiliza para mantener en secreto el contenido de un mensaje entre el remitente y el destinatario e impedir que lo "lean" personas no autorizadas. Para ello, se utilizan métodos de cifrado que "modifican" el mensaje de una manera acordada entre el emisor y el destinatario. En la medida de lo posible, no se mantiene en secreto el método de cifrado en sí, sino una clave que sólo conocen el emisor y el destinatario ("principio de Kerkhoff"). En la mayoría de los casos, los caracteres del mensaje se reemplazan (sustituyen) o intercambian (permutan).

En el pasado, se utilizaban principalmente cifrados de sustitución simples. Uno de los métodos más conocidos es el llamado "cifrado César". Consiste en "desplazar" las letras del mensaje que se quiere transmitir en el alfabeto un número fijo de dígitos (la clave). Por ejemplo, con la clave "3", una "A" se convierte en una "D", una "B" en una "E" y así sucesivamente, hasta que una "Z" se convierte finalmente en una "C". El descifrado en el extremo del destinatario es exactamente lo contrario.

El cifrado César es fácil de descifrar porque la distribución de frecuencias de las letras en un lenguaje natural no cambia con el cifrado: En un texto largo, la letra más frecuente con diferencia es la "E". Si se conoce la letra más frecuente del texto cifrado, se sabe cuántos lugares hay que "desplazar" en el alfabeto para descifrar el texto escuchado.

Además, sólo hay 25 formas distintas de desplazar las letras del alfabeto: Es un número muy pequeño de claves posibles. Por lo tanto, se pueden probar distintos desplazamientos hasta que, al descifrar, aparezca un texto con sentido.

Un cifrado publicado por Blaise de Vigenère (1523-1596) en 1586, en el que los caracteres del mensaje no se desplazan todos el mismo número de lugares en el alfabeto, sino según un esquema predeterminado, es mucho más difícil de descifrar. Por ejemplo, la clave "1 5 12 4 8 7 11" significa que el primer carácter del mensaje se desplaza un lugar, el segundo cinco, el tercero 12, etc. y, por último, el séptimo 11 lugares en el alfabeto. El octavo carácter se desplaza de nuevo uno, el noveno cinco y así sucesivamente. El método de cifrado de Vigenère se consideró indescifrable durante casi trescientos años.

A menudo, la clave no está representada por una secuencia de números, sino por las letras correspondientes del alfabeto: en el ejemplo anterior, por "AELDHGK". Esto también facilita mucho la programación de la sustitución de los caracteres ("sumando" las posiciones en el alfabeto).