Computación Física: Explorando la visión por computadora en la computación física

Por Fouad Sabry

Qué es la Computación Física

El término "computación física" se refiere al uso de sistemas interactivos que son capaces de percibir y reaccionar al entorno que los rodea. Sin embargo, a pesar de que esta definición es lo suficientemente amplia como para incluir sistemas como sistemas inteligentes de control de tráfico de vehículos o procesos de automatización de fábricas, no se suele utilizar para definir este tipo de productos. Desde una perspectiva más amplia, la computación física puede entenderse como un paradigma innovador para comprender la conexión que los humanos tienen con el entorno digital. Los ejemplos más comunes son proyectos de arte, diseño o pasatiempos hechos a mano que utilizan sensores y microcontroladores para traducir la entrada analógica a un sistema de software y/o controlar dispositivos electromecánicos como motores, servos, iluminación u otro hardware. de a qué se refiere el nombre "maker" en aplicaciones prácticas.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Computación física

Capítulo 2: Microcontrolador

Capítulo 3: Sistema integrado

Capítulo 4: Microcontroladores AVR

Capítulo 5: Sistema en un chip

Capítulo 6: Lenguaje de programación visual

Capítulo 7: Entrada/salida de propósito general

Capítulo 8: Arduino

Capítulo 9: Microcontrolador de placa única

Capítulo 10: Cámara de luz roja

(II) Respondiendo a las principales preguntas del público sobre computación física.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de la computación física en muchos campos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes universitarios y estudiantes de posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o información básica para cualquier tipo de Computación Física.

 

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 4 may 2024

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Capítulo 1: Computación física

La computación física implica el uso de sistemas interactivos que pueden percibir y reaccionar a su entorno. Aunque esta definición es lo suficientemente amplia como para abarcar sistemas como los sistemas inteligentes de control de tráfico para automóviles y los procesos de automatización de fábricas, no suele utilizarse para definirlos. La computación física es un marco creativo para comprender el vínculo entre los seres humanos y el mundo digital. En el uso común, la frase generalmente se refiere a proyectos de arte, diseño o pasatiempos de bricolaje hechos a mano que utilizan sensores y microcontroladores para traducir la entrada analógica a un sistema de software y / o para operar componentes electromecánicos como motores, servos, iluminación y otro hardware.

La computación física se cruza con una variedad de disciplinas e industrias, incluida la ingeniería eléctrica, la mecatrónica, la robótica, la informática y el desarrollo integrado.

Physical computing

La computación física se utiliza en numerosos campos y aplicaciones.

Los beneficios de la fisicalidad y la diversión en la educación se han reflejado en una variedad de contextos de aprendizaje informal. Como pionero en el aprendizaje basado en la indagación, el Exploratorium creó algunas de las primeras exhibiciones interactivas basadas en computadoras y continúa incorporando más y más instancias de computación física e interfaces táctiles a medida que avanzan las tecnologías relacionadas.

Scott Snibbe, Daniel Rozin, Rafael Lozano-Hemmer, Jonah Brucker-Cohen y Camille Utterback han integrado la computación física en sus esfuerzos artísticos.

En el ámbito del diseño de productos e interacciones, los sistemas integrados construidos a mano se utilizan ocasionalmente para crear rápidamente prototipos de nuevos conceptos de productos digitales de una manera rentable. Empresas como IDEO y Teague son conocidas por adoptar este enfoque en el diseño de productos.

Las aplicaciones comerciales van desde dispositivos de consumo como el Sony Eyetoy o videojuegos como Dance Dance Revolution hasta aplicaciones más esotéricas y pragmáticas como la visión artificial utilizada para automatizar la inspección de calidad a lo largo de una línea de fabricación. La computación física incluye juegos de ejercicios, como Wii Fit de Nintendo. El reconocimiento de voz, que detecta e interpreta las ondas sonoras utilizando micrófonos u otros dispositivos de detección de ondas sonoras, y la visión por computadora, que aplica algoritmos a un rico flujo de datos de video que a menudo adquiere una cámara, son otras implementaciones de la computación física. En el caso de las interfaces hápticas, la computadora genera el estímulo físico en lugar de detectarlo. Tanto la captura de movimiento como el reconocimiento de gestos se basan en la visión por computadora para realizar su encantamiento.

La computación física también se puede utilizar para describir la fabricación y el uso de sensores o colectores personalizados para la investigación científica, aunque este uso es poco común. El proyecto Illustris, que busca imitar perfectamente la evolución del universo desde el Big Bang hasta el presente (13.800 millones de años después), es una ilustración del modelado de computación física.

La computación física depende en gran medida del desarrollo de prototipos. I-CubeX con herramientas como Wiring, Arduino y Fritzing permite a los diseñadores y artistas crear rápidamente prototipos de sus ideas interactivas.

{Fin del capítulo 1}

Capítulo 2: Microcontrolador

MCU para unidad de microcontrolador) es un microcontrolador, también MC, UC o μC) es una pequeña computadora en un solo chip de circuito integrado (IC) VLSI.

Además de la memoria y los periféricos de entrada/salida programables, un microcontrolador incorpora una o más CPU (núcleos de procesador).

La RAM ferroeléctrica se utiliza como memoria de programa, la memoria flash NOR o la ROM OTP también se colocan con frecuencia en el chip, además de una pequeña cantidad de RAM.

Los microcontroladores se desarrollan para usos integrados, a diferencia de los microprocesadores utilizados en las computadoras personales y otras aplicaciones de propósito general, que se componen de numerosos chips discretos, los microprocesadores utilizados en las supercomputadoras son circuitos integrados.

Un microcontrolador está relacionado, pero es menos sofisticado que un sistema en un chip en términos modernos (SoC). Un SoC puede vincular chips de microcontrolador externos a la placa base, pero generalmente integra periféricos avanzados como la unidad de procesamiento de gráficos (GPU) y el controlador de interfaz Wi-Fi como sus circuitos internos de unidad de microcontrolador.

Los microcontroladores se utilizan en productos y equipos con control automático, incluidos sistemas de control del motor de vehículos, dispositivos médicos implantables, controles remotos, maquinaria de oficina, electrodomésticos, herramientas eléctricas, juguetes y otros sistemas integrados. Los microcontroladores hacen que el control digital de aún más dispositivos y procesos sea rentable al disminuir el tamaño y el costo en comparación con un diseño que utiliza un microprocesador, memoria y dispositivos de entrada/salida separados. Los microcontroladores que integran los componentes analógicos necesarios para controlar los sistemas electrónicos no digitales son frecuentes. Como dispositivos periféricos en el contexto del Internet de las cosas, los microcontroladores son un medio económico y frecuente de recopilación, detección y control de datos del mundo físico.

Para un bajo consumo de energía, algunos microcontroladores pueden emplear palabras de cuatro bits y funcionar a frecuencias tan bajas como 4 kHz (milivatios o microvatios de un solo dígito). En general, son capaces de conservar la funcionalidad mientras esperan un evento, como la pulsación de un botón u otra interrupción; El consumo de energía mientras está en reposo (reloj de la CPU y la mayoría de los periféricos apagados) puede ser tan bajo como nanovatios, lo que hace que muchos de ellos sean adecuados para aplicaciones alimentadas por batería con una larga vida útil. Otros microcontroladores pueden cumplir funciones críticas para el rendimiento que requieren que se comporten más como procesadores de señales digitales (DSP), con velocidades de reloj y consumo de energía más altos.

Se utilizaron múltiples chips MOS LSI para crear los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970. 1971 vio el lanzamiento del primer microprocesador de un solo chip, el Intel 4004 en un solo chip MOS LSI. Federico Faggin, en colaboración con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor, y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima, lo crearon utilizando su tecnología MOS de puerta de silicio. El Intel 4040 de 4 bits fue sucedido por el Intel 8008 de 8 bits y el Intel 8080 de 8 bits. Para crear un sistema funcional, cada una de estas CPU requería múltiples chips adicionales, incluidos chips de interfaz periféricos y de memoria. Por lo tanto, el costo total del sistema era de varios cientos de dólares en la década de 1970, lo que hacía imposible informatizar electrodomésticos modestos a bajo costo.

En 1975 se introdujeron los microprocesadores de menos de 100 dólares de MOS Technology, el 6501 y el 6502. Su objetivo principal era reducir esta barrera de costos, pero estos microprocesadores aún requerían soporte externo, memoria y chips periféricos, manteniendo el costo de todo el sistema en cientos de dólares.

En 1971, los ingenieros de TI Gary Boone y Michael Cochran crearon el primer microcontrolador, según un libro. En 1974 se lanzó comercialmente el TMS 1000, producto de sus esfuerzos. Integraba memoria de solo lectura, memoria de lectura/escritura, un procesador y un reloj en un solo chip para sistemas integrados. Combinaba RAM y ROM con una CPU en un solo chip. Con el tiempo, este chip llegaría a más de mil millones de teclados de PC, entre otras aplicaciones. Luke J. Valenter, presidente de Intel en ese momento, comentó que el microcontrolador era uno de los productos más exitosos de la compañía, y aumentó el presupuesto de la división de microcontroladores en más del 25 por ciento.

En este momento, la mayoría de los microcontroladores tenían variaciones simultáneas. Uno de ellos estaba equipado con memoria de programa EPROM y un cristal de cuarzo transparente en la tapa del paquete que permitía borrarlo mediante la exposición a la luz ultravioleta. Con frecuencia, estos chips borrables se empleaban para la creación de prototipos. La otra opción era una ROM programable con máscara o una PROM que solo se podía programar una vez. Para este último, a veces se usaba OTP, que significa programable de una sola vez. En un microcontrolador OTP, la PROM era a menudo del mismo tipo que la EPROM; sin embargo, el paquete de chips carecía de una ventana de cuarzo, por lo que la EPROM no se podía borrar. Debido a que las versiones borrables requerían un empaque cerámico con ventanas de cuarzo, eran considerablemente más caras que las versiones OTP, que podían empaquetarse en plástico opaco a un costo reducido. Para las variaciones borrables, se requirió cuarzo en lugar de vidrio menos costoso debido a su transparencia a la luz ultravioleta, a la que el vidrio es en gran parte opaco. Sin embargo, el envase cerámico en sí mismo fue el principal diferenciador de costos.

La invención de la memoria EEPROM en 1993 permitió los microcontroladores (comenzando con el Microchip PIC16C84) Otras empresas siguieron rápidamente, proporcionando ambos tipos de memoria.

Hoy en día, los microcontroladores son baratos y están disponibles para los entusiastas, y los procesadores particulares tienen enormes comunidades en línea.

En 2002, más del 55% de todas las CPU vendidas en todo el mundo eran microcontroladores y microprocesadores de 8 bits.

Es probable que una residencia típica en un país desarrollado incluya solo cuatro microprocesadores de propósito general, pero aproximadamente treinta microcontroladores. Aproximadamente treinta microcontroladores están presentes en un vehículo típico de gama media. Además, están presentes en una variedad de aparatos eléctricos, incluidas lavadoras, hornos microondas y teléfonos celulares.

El sector de los 8 bits ha dominado históricamente el mercado de MCU [..]. En 2011, los microcontroladores de 16 bits superaron por primera vez a los dispositivos de 8 bits como la categoría de MCU de mayor volumen [..]. Según IC Insights, la composición de la industria de MCU experimentará cambios significativos en los próximos cinco años, con dispositivos de 32