UNIVERSIDAD NACIONAL
AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
Instituto de Geof́ısica: Departamento
de Ciencias Espaciales
Diseño e implementación de un sistema de
adquisición de datos para el Observatorio
de Rayos Cósmicos de Ciudad Universitaria
TESIS PROFESIONAL
Para obtener el grado de:
INGENIERO ELÉCTRICO ELECTRÓNICO
PRESENTAN:
ROCÍO GARCÍA GÍNEZ
MARCOS ALFONSO ANZORENA MÉNDEZ
DIRIGIDA POR:
Dr. José Francisco Valdés-Galicia
M.I. Ricardo Mota Marzano
Ciudad Universitaria
2011
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
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A pesar de todo, tú siempre has estado conmigo;
Me tomaste de la mano derecha.
Me has guiado según tu consejo,
Y después me recibirás en gloria.
¿A quién tengo yo en los cielos sino a ti?
Y fuera de ti nada deseo en la tierra.
Mi carne y mi corazón desfallecen;
Mas la roca de mi corazón y mi porción
es Dios para siempre.
En cuanto a mı́, el acercarme a Dios es el bien;
He puesto en Jehová el Señor mi esperanza,
Para contar todas tus obras.
Fragmento: Salmo 73
Agradecimientos
Primeramente y de manera muy especial, al Dr. José Francisco Valdés-
Galicia por su: dirección, apoyo, consejo y enseñanzas. Gracias por abrirnos
las puertas y permitirnos trabajar con usted.
Al M.I. Ricardo Mota Marzano; por su amistad y apoyo en el desarrollo de
este trabajo. Gracias por sus enseñanzas, su tiempo y paciencia.
Al Ing. Octavio Musalem; por compartir su experiencia y conocimiento, por
brindarnos su amistad. Gracias por su interés en nuestro desarrollo como per-
sonas y profesionistas.
A nuestros compañeros del grupo de Rayos Cósmicos: Fis. Alejandro Hurta-
do, Dr. Luis Xavier González, Fis. Ernesto Ort́ız y M.C. Jesús Alvarez. Gracias
por su amistad y colaboración.
Al Ing. Miguel Angel Garćıa Palacios, por la asesoŕıa que nos brindó en el
desarrollo de este trabajo.
A los miembros del jurado: M.I. Luis Arturo Haro Rúız, Ing. Gloria Mata
Hernández y Dr. Pablo Pérez Alcázar. Gracias por los comentarios y aportacio-
nes a esta tesis.
Finalmente, queremos agradecer a todas aquellas personas, que aunque no
aparecen en esta lista, sin su colaboración no hubiera sido posible culminar este
trabajo. Gracias.
Dedicatoŕıa
Con todo mi amor y gratitud a mis queridos padres; por darme el tesoro
más grande en vaso de barro.
A mis amadas hermanas y hermanos; por la alegŕıa tan grande de compartir
el mismo Camino.
A mi amigo y amado; porque es para mi un manojito de mirra.
Roćıo
Tengo mucho que agradecer. En primer lugar a mis padres, por todo su amor,
paciencia y cuidados. Por permitirme seguir mis sueños y darme las herramientas
para alcanzarlos. Este trabajo también es de ustedes.
Agradezco a mi padre por ser un gran ejemplo para mi, porque tu esfuerzo y
trabajo no han sido en vano. A mi madre por escucharme, consolarme y aconse-
jarme. A mis hermanos y hermanas porque han sido mis amigos y compañeros
desde la infancia, son parte de mi. A mis pequeños, por sus sonrisas. A todos
los amo.
A mi amigo Isaac, por todos estos años de amistad sincera y preparatoriana.
A Roćı, mi amada, porque desde que llegaste a mi vida nada es igual.
Marcos
Índice general
Introducción VI
1. Mensajeros de las estrellas 2
1.1. Los Rayos Cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1. Radiación cósmica primaria y secundaria . . . . . . . . . 5
1.1.2. Efectos atmosféricos sobre la RC secundaria . . . . . . . . 7
2. Detección de rayos cósmicos . . . 10
2.1. Rescatando rayos cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2. El Super Monitor de Neutrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3. El observatorio de Rayos Cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3. Adquisición de datos: un acercamiento a los rayos cósmicos 24
3.1. ¿Qué es un sistema de adquisición de datos? . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1. Partes que componen un SDAQ convencional . . . . . . . 25
3.2. Sistemas de adquisición de datos para RC . . . . . . . . . . . . . 27
iv
v
3.3. Tecnológias para. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1. SDAQ’s basados en instrumentos modulares . . . . . . . . 30
3.3.2. Sistemas de aplicación espećıfica . . . . . . . . . . . . . . 33
4. El nuevo sistema . . . 39
4.1. ¿Qué camino tomar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2. Concepción del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3. Módulo de comunicación I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.1. ¿Qué es el bus I2C? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.2. Protocolo de comunicación I2C . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.3. Descripción del módulo I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4. Módulo de canal de neutrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5. Módulo de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.6. Módulo de amplificación, discriminación y cambio de nivel . . . . 56
4.7. Módulo software de adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8. Interconexión del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5. Pruebas, resultados y conclusiones 65
5.1. Depuración del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1. ¿Qué falta por hacer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Apéndice A 81
Introducción
Desde tiempos remotos el Universo ha capturado la atención de la huma-
nidad. Para algunos fuente de conocimiento, para otros fuente de inspiración.
Sin importar el caso, el hombre ha observado el cielo, ya sea con sus ojos o a
través de instrumentos, y con su imaginación y entendimiento ha descrito la
parte observable del espacio-tiempo.
De galaxias a planetas; de supernovas a estrellas; de neutrones, protones,
fotones y eletrones nuestro Universo está compuesto, para observarlo vemos sus
destellos. De entre estas luces, la que más brilla es la del Sol, que además hace
posible la vida en nuestra planeta. Del Sol llegan a la Tierra los mensajeros de
las estrellas: los rayos cósmicos.
En palabras del Dr. José Francisco Váldes-Galicia los rayos cósmicos son:
subatómicos visitantes del espacio exterior. Part́ıculas que al entrar en nuestra
atmósfera chocan con los núcleos de los elementos qúımicos que la componen. En
este choque se producen nuevas part́ıculas y los choques siguen durante varios
kilómetros hasta que alcanzan la superficie terrestre. La cantidad de particulas
que entran a la Tierra es modulada por el campo magnético de la tierra y
sus interacciones con la heliósfera. El conteo de part́ıculas, que entran en una
determinada dirección, nos permite estudiar de forma indirecta la actividad
solar.
En la ciudad de México, el Observatorio de rayos cósmicos ✭✭Javier A. Otaola
✮✮del Instituto de Geof́ısica de la UNAM, tiene por objetivo descifrar los mensajes
que porta la radiación cósmica acerca del Sol y el medio interplanetario.
El Observatorio forma parte de una red internacional de más de cincuenta
distribuidos en todo el mundo. Para cumplir su objetivo, estos observatorios
cuentan con detectores de part́ıculas, los cuales convierten la enerǵıa de las
part́ıculas en pulsos eléctricos que posteriormente son registrados. Luego enton-
vi
vii
ces, la intensidad de la radiación cósmica, en la localidad del observatorio, puede
ser estimada a través del conteo de los pulsos generados por los detectores.
El presente trabajo lleva por nombre ✭✭Diseño e implementación de sistema
de adquisición de datos para el Observatorio de Rayos Cósmicos de Ciudad
Universitaria ✮✮y tiene como objetivo principal diseñar un sistema de adquisición
de datos para el Super Monitor de Neutrones NM64 que se encuentra trabajando
actualmente y posteriormente implementar el diseño para sustituir al sistema
actual.
El sistema de adquisición de datos del Observatorio de Rayos Cósmicos de
Ciudad Universitaria tiene más de veinte años en operación, actualmente pre-
senta algunos problemas en su funcionamiento. Debido a que trabaja de forma
continua, no es posible realizar operaciones de mantenimiento con frecuencia.
El diseño del sistema actual está basado en tecnoloǵıa TTL de bajo consumo —
Transistor-Transistor Logic— de principios de los años ochenta, lo cual lo hace
un sistema grande y complejo. Muchos de los circuitos integrados que se ocupa-
ron para su construcción ya no se encuentran disponibles comercialmente. Por
estas razones se tiene la necesidad de reemplazarlo por un equipo de tecnoloǵıa
moderna que cubra las necesidades que tiene el observatorio.
Durante el desarrollo de esta tesis profundizaremos en los temas antes men-
cionados y desglozaremos el trabajo del diseño, pruebas y puesta en funciona-
miento del sistema. El trabajo consta de cinco caṕıtulos titulados: Mensajeros
de las Estrellas, Detección de rayos cósmicos y el Observatorio de RC en Ciudad
Universitaria, Adquisición de datos: un acercamiento a los rayos cósmicos, El
nuevo sistema de adquisición de datos del Observatorio de Rayos Cósmicos y
Pruebas, resultados y conclusiones.
Victor F. Hess a punto de realizar un viaje en globo.
✭✭Nuestro universo conserva las huellas de su juventud y tenemos la esperanza de
reconstruir su historia. Los documentos de los que disponemos no están enterra-
dos entre montones de ladrillos babilonios; nuestra biblioteca no corre el riesgo
de ser destruida en algún incendio. Es en el espacio vaćıo donde se conserva [. . . ]
la radiación ultra-penetrante: los rayos cósmicos. ¿Podemos datarlos? ¿Podemos
leerlos? ✮✮.
Eduardo Riaza
1
Mensajeros de las estrellas
✭✭The results of my observations are best explained by the assum-
ption that a radiation of very great penetrating power enter our
atmosphere frome above.✮✮[1]
El 7 de Agosto de 1912, el f́ısico austriaco Victor Francis Hess emprendió un
vuelo en globo. Su objetivo, estudiar el comportamiento de la electricidad at-
mosférica. El experimento era sencillo, con ayuda de un navegante y un meteo-
rológo, tomó consigo tres electroscopios y juntos realizaron una serie de viajes
para determinar la naturaleza de la electricidad en el aire. Mientras sus ayudan-
tes med́ıan la temperatura y la altura, Hess registraba lo que observaba en los
electroscopios. Durante varias horas realizaron mediciones a diferentes alturas,
sin imaginarse, que los resultados de sus observaciones seŕıan el comienzo de
un nuevo paradigma en la ciencia: ✭✭... una nueva perspectiva cient́ıfica cuyos
efectos se han hecho sentir en el pensamiento y la vida de la humanidad ✮✮[2].
Tres meses después, Hess presentaŕıa su trabajo ante la comunidad cient́ıfica y
veinticuatro años más tarde, recibiŕıa el premio Nobel de F́ısica por su hallazgo:
el descubrimiento de los rayos cósmicos. Pero, ¿cuál fue la motivación que llevo
a Hess a realizar dicho experimento?.
Desde mucho tiempo atrás los f́ısicos notaron que un cuerpo cargado, ex-
puesto a la intemperie, no mantiene su carga de forma indefinida. No obstante,
las causas que provocan el fenómeno eran desconocidas y atrajeron a muchos a
buscar una explicación. Entre estos, Charles du Fay fué el primero en descubrir
que el aire era capaz de conducir la electricidad, lo cual implicaba la existencia
de part́ıculas eléctricas libres en el gas.
Para fines del siglo XIX se conoćıa lo suficiente acerca de la estructura de la
materia como para hacer las primeras hipótesis. Se sab́ıa que la materia estaba
2
3
compuesta por átomos y que estos tenian carga neutra. También se sab́ıa que
la carga elétrica era de naturaleza cuantizable. Finalmente esto llevó a algunos
f́ısicos como Franz Exner a utilizar electroscopios para estudiar la electricidad
atmosférica. Los experimentos consist́ıan en observar la descarga del electrosco-
pio al interactuar con el medio ambiente.
Figura 1.1: Diagrama del funcio-
namiento de un electroscopio
La descarga del electroscopio se debe a
la ionización del gas alrededor de sus lámi-
nas. Si las láminas del electroscopio estan
cargadas de forma positiva, y existen molécu-
las de gas ionizadas alrededor de ellas, la
interacción de los iones negativos del gas y
las láminas eventualmente neutraliza la car-
ga del electroscopio (Fig. 1.1). Sin embargo,
aunque esto explica la descarga del electros-
copio, surge la pregunta ¿A qué se debe la
ionización del gas?.
En 1895 Wilhem Conrad Röntgen des-
cubrió los rayos X y pudó observar que un
electroscopio, expuesto a este de tipo radiación, se descarga inmediatamente.
Años mas tarde, cient́ıficos como, Henri Becquerel, Pierre Curie y Marie Curie,
realizaron los primeros experimentos con materiales radioactivos. Sus resulta-
dos sentaron las bases necesarias para explicar el feńomeno de la descarga del
electroscopio[3].
En vista de estos descrubrimientos, muchos cientificos de la época se incli-
naron por la idea de que la ionización del aire se deb́ıa a la acción de algun tipo
de radiación débil. Se créıa que dicha radiación provenia de algunos elementos
de la corteza terrestre y/o impurezas en los materiales con los que se constrúıan
los electroscopios. Aunque la segunda hipótesis resultó ser cierta, con el tiem-
po se lograron fabricar electroscopios de mejores materiales y con un mayor
grado de pureza. La contaminación radioactiva del instrumento, no pod́ıa ser
completamente responsable del efecto.
En conclusión: ✭✭Si la radiación responsable de la descarga de los electros-
copios proveńıa del suelo, ésta debeŕıa ser mas fuerte cerca de la superficie y
progresivamente mas débil a medida que se incrementara en altitud ✮✮[2]. Esta
fue la motivación que llevó a Hess a realizar sus experimentos el 7 de agosto de
1912. Él observó que a los 500m de altura la ionización era dos veces menor con
respecto a la superficie, a los 1500m la ionización era igual, a los 1800m exist́ıa
un incremento y a los 5000m llegaba a ser dieciseis veces mayor. Hess aseguró que
la explicación a esto era una radiación penetrante de origen extraterrestre.
No conforme, Robert Andrews Millikan emprendió una serie de nuevos ex-
perimentos para comprobar si los resultados de Hess eran ciertos. Finalmente,
Los Rayos Cósmicos 4
los experimentos en los lagos Muir y Arrowhead, convencieron a Millikan y a
la comunidad cient́ıfica del origen extraterrestre de la hasta entonces llamada
Ultragammastrahlung. Seŕıa Millikan el que usaŕıa por primera vez el término
Rayos Cósmicos.
1.1. Los Rayos Cósmicos
Los rayos cósmicos son part́ıculas subatómicas que provienen del espacio
exterior y llegan a la tierra de todas direcciones. Se componen principalmente
de protones y aunque no se sabe con exactitud el origen de estas part́ıculas, se
han identificado algunas posibles fuentes.
El Sol, como otras estrellas, sintetiza núcleos de elementos pesados a partir
de elementos más ligeros, como el Hidrógeno. El 90% de la composición del
Sol es Hidrógeno y a partir de éste se produce Helio mediante fusión nuclear.
Las reacciones nucleares en el Sol liberan una gran cantidad de enerǵıa, que es
responsable de las altas temperaturas en la atmósfera solar.
En la atmósfera solar —capas externas del Sol cuya radiación es observable—
se presenta una serie de perturbaciones, a las que se les nombra regiones activas,
las cuales estan estrechamente relacionadas con el ciclo solar —fluctuaciones en
la cantidad de enerǵıa emitida por el Sol. Tiene efectos visibles como las manchas
solares.
El ciclo solar dura aproximadamente once años y durante este periodo la
actividad solar se manifiesta a diferentes amplitudes, es decir, se incrementa
rápidamente al iniciar el periodo hasta llegar a un máximo y decae lentamente
hasta concluir el ciclo solar. Además los ciclos entre śı son diferentes.
Figura 1.2: Ráfaga solar
Las ráfagas son explosiones de gas
cromosférico —capa delgada de la at-
mósfera solar por encima de la fotósfera
y por debajo de la corona. Se compone
principalmente del Hidrógeno y Helio—,
es quizás el fenómeno mas sorprenden-
te que se presenta durante la actividad
solar (Fig. 1.2). Pueden tener una dura-
ción de más de una hora y la cantidad de
enerǵıa emitida en ese lapso de tiempo
es incréıblemente grande.
Los rayos cósmicos solares son part́ıculas de alta enerǵıa emitidas durante
una ráfaga. Se componen principlamente de protones y part́ıculas alfa —núcleos
de Helio—; tienen enerǵıas superiores a losMeV —enerǵıa que toma un electrón
cuando es acelerado por una diferencia de potencial de 1V—, y son clasificados
Los Rayos Cósmicos 5
dentro de los rayos cósmicos locales por ser originados dentro de nuestro Sistema
Solar.
La radiación cósmica que se genera más allá de nuestro Sistema Solar reci-
be el nombre de radiación cósmica galáctica. Una fuente viable de este tipo de
radiación son las supernovas —explosión estelar muy energética que es extre-
madamente luminosa y produce radiación.
Figura 1.3: Los restos de la supernova Si-
meis 147, a unos 3000 años-luz de distan-
cia. La explosión de la extinta estrella su-
cedió hace unos 100,000 años.
El remanente de supernova —es-
tructura nebulosa que resulta de la
gigantesca explosión de una estrella—
acelera núcleos de átomos a enerǵıas
muy grandes (Fig. 1.3).
En caśı todos los remanentes de
supernova, los astrónomos han detec-
tado radiación emitida por electrones
energéticos atrapados por un campo
magnético[4].
El material lanzado, a altas velo-
cidades por la explosión estelar, con-
tiene electrones que ya sea de forma
directa o indirecta contribuyen a la radiación cósmica galáctica.
1.1.1. Radiación cósmica primaria y secundaria
Se le denomina radiación cósmica primaria —RC primaria— al conjunto de
part́ıculas que llegan al tope de la atmósfera terrestre. Después del Hidrógeno,
el Helio es el elemento más abundante en la RC primaria. Los núcleos de Helio
son aproximadamente diez veces menos abundantes que los de Hidrógeno. La
RC primaria también contiene un pequeño porcentaje de electrones y otras
part́ıculas neutras como: rayos γ, neutrones y neutrinos[4].
Al estar compuesta en su mayoria por part́ıculas cargadas, la intensidad de
la RC primaria se ve afectada por la interacción con el medio interplanetario.
Durante su camino hacia la Tierra, los rayos cósmicos cruzan diversos campos
magnéticos que pueden acelerarlos o desviarlos de su trayectoria.
La interacción entre los campos magnéticos de los planetas y la heliosfera,
región espacial que se encuentra bajo la influencia del viento solar, producen
variaciones en la intensidad de la radiación cósmica. El viento solar es un plas-
ma que ocupa el medio interplanetario, el cual proviene de la expansión de la
atmósfera solar y arrastra consigo el campo magnético del Sol. Este plasma con-
siste principalmente de protones y electrones libres, que le dan la propiedad de
conductividad eléctrica.
Los Rayos Cósmicos 6
En conclusión: ✭✭El espacio interplanetario no es un espacio vaćıo por el cual
las part́ıculas de rayos cósmicos puede propagarse libremente, el viento solar
empuja a estas part́ıculas hacia afuera del Sistema Solar, mientras la presencia
del campo magnético las guia hacia adentro ✮✮[2].
La radiación cósmica secundaria se produce cuando la RC primaria penetra
en la atmósfera terrestre y choca con las móleculas de aire, ya sea con la estruc-
tura electrónica del átomo, o con el mismo núcleo. En el proceso de colisión la
RC primaria cede su enerǵıa para producir nuevas part́ıculas que se clasifican en
tres componentes: componente nucleónica, componente muónica y componente
electromagnética (Fig. 1.4).
La componente nucleónica se origina a partir de part́ıculas primarias de baja
enerǵıa que producen neutrones y protones al desintegrar átomos atmósfericos.
En el caso de las part́ıculas de mayor enerǵıa al colisionar con la atmósfera,
además de producir nuclueones, ocupan su enerǵıa para generar nuevas part́ıcu-
las y proveerles de enerǵıa cinética. Son estas nuevas part́ıculas, los piones(π) y
los kaones(κ).
Radiación cósmica primaria
Interacción nuclear con 
moléculas del aire
Componente muónica 
y neutrinos
Cascada hadrónica
Componente 
nucleónica
Componente 
electromagnética
Radiación Cherenkov
y fluorescencia
Figura 1.4: Part́ıculas secundarias generadas a través de colisiones en la atmósfera.
Componente muónica, nucleónica y electromagnética.
Los piones, al ser part́ıculas inestables, decaen en muones(µ) que forman
la componente muónica dura de la RC secundaria. Al igual que los piones, los
muones son inestables y no tienen interacción nuclear fuerte, por lo que los
muones decaen en positrones (e+), electrones (e−) y µ− neutrino (Vµ).
Los muones producto de part́ıculas de muy alta enerǵıa son capaces de llegar
a la superficie de la Tierra, gracias a que su velocidad es muy cercana a la de
la luz. Por efecto de la velocidad relativista de estas part́ıculas, el tiempo que
Los Rayos Cósmicos 7
transcurre en la superficie Terrestre es mucho mayor a su vida media. Este
fenómeno se describe por medio de la transformación de Lorentz y es lo que
permite detectar estas part́ıculas en la superficie Terrestre.
1.1.2. Efectos atmosféricos sobre la RC secundaria
Las tres componentes de la RC secundaria se ven afectadas por las condicio-
nes atmosféricas. En el presente trabajo soló consideraremos los efectos debidos
a variaciones de la presión atmosférica y la temperatura. Sin embargo, existen
otros efectos que la alteran, como son: el efecto altitudinal, la humedad, el viento
y la gravedad.
Los efectos de la presión atmosférica y la temperatura sobre la RC secundaria
son negativos y estan estrechamente relacionados[5]. Ambos efectos se presentan
de forma periodica durante el d́ıa.
La intensidad de la radiación cósmica secundaria es directamente proporcio-
nal a la cantidad de masa de aire atravesada por la RC secundaria. Al incre-
mentarse la presión atmosférica, la densidad del aire aumenta, provocando que
un mayor número de part́ıculas sean absorbidas en la atmósfera. Otro efecto
secundario es el decaimiento a mayor altitud de piones y muones[5].
Al igual que los cambios en la presión atmósferica, los cambios en la tempe-
ratura provocan la expansión o compresión del aire. Si la temperatura aumenta
las part́ıculas secundarias seran generadas a mayor altura, ocasionando una
disminución en la intensidad de la radiación.
Referencias
[1] Victor Francis Hess. Über beobachtungen der durchdringenden strahlung
bei sieben freiballonfarhrt. Physikalische Zeitschrift, 13:1084–1091, 1912.
[2] Javier A. Otaola y José F. Valdés-Galicia. Rayos cósmicos: mensajeros de
las estrellas. Fondo de cultura económica, México, 1992.
[3] Bruno B. Rossi. Cosmic Rays. McGraw Hill, Nueva York, EU, 1964.
[4] Michael W. Friedlander. Cosmic Rays. Harvard University Press, Boston,
EU, 1989.
[5] Jesús Alvarez Castillo. Efectos de las tormentas eléctricas en los rayos cósmi-
cos detectados en la superficie terrestre. Tesis de Maestŕıa, Instituto de
Geof́ısica UNAM, 2008.
8
Construcción del antiguo observatorio de Rayos Cósmicos de Ciudad Universitaria.
✭✭The subject [of cosmic rays] is unique in modern physics for the minuteness of
the phenomena, the delicacy of the observations, the adventurous excursions of
the observers, the subtlety of the analisys, and the grandeur of the inferences ✮✮.
Karl K. Darrow
2
Detección de rayos cósmicos y el Observatorio de
RC en Ciudad Universitaria
El Observatorio de rayos cósmicos ubicado en Ciudad Universitaria forma
parte de una red de más de cincuenta observatorios distribuidos en todo el
mundo. Dependiendo del lugar donde se encuentren los detectores, la intensidad
y cantidad de enerǵıa de la radiación cósmica detectada será afectada por el
campo magnético de la Tierra. Detectores localizados a bajas latitudes registran
un menor número de part́ıculas, mientras que detectores localizados cerca de los
polos magnéticos de la Tierra registran una mayor cantidad. A este efecto se le
conoce como efecto latitudinal. La cantidad y distribución de observatorios de
RC, nos ayuda a mapear la llegada de la radiación cósmica a nuestro planeta[1].
Los métodos que se utilizan para la detección de rayos cosmicos son diversos
y con ayuda de tecnoloǵıas modernas se ha logrado decifrar la información que
estos mensajeros nos traen desde el universo. Sin embargo, no siempre ha sido
asi. Las técnicas empleadas para determinar la magnitud y naturaleza de este
fenómeno han tenido que cruzar un largo camino, y una serie de mejoras tras
fuertes dificultades en la historia.
El presente caṕıtulo está dedicado al estudio de los detectores de radiación
cósmica; su historia y evolución, aśı como la contribución que ha hecho la Uni-
versidad Nacional Autónoma de México.
2.1. Rescatando rayos cósmicos
Se requiere un flujo de 1019 electrones por segundo para producir una co-
rriente de 1A de intensidad. Un tostador eléctrico convencional requiere de 10A
para su funcionamiento. En contraste, el arribo de una part́ıcula de RC por
10
Rescatando rayos cósmicos 11
segundo constituye una corriente de 10−19A. En otras palabras, no es faćıl medir
la masa, carga y velocidad de una part́ıcula que pesa menos de 1,67× 10−27kg.
Luego entonces, ¿cómo puede una part́ıcula de tan pequeñas dimesiones ser
detectada?.
Una part́ıcula cargada se puede detectar a través de la ionización que pro-
duce. Como se explicó en el caṕıtulo anterior, los RC colisionan con núcleos de
átomos atmosféricos produciendo iones. La ionización que una part́ıcula pro-
duce, depende de la razón Z
2/v2[2], donde Z representa la carga eléctrica de la
part́ıcula y v su velocidad. Esta razón nos indica que part́ıculas con menor velo-
cidad provocan mayor ionización, debido a que su campo eléctrico tiene mayor
tiempo para interactuar con el medio, lo que no sucede con aquellas de mayor
velocidad.
Los RC poseen enerǵıa cinética que es la fuente de la enerǵıa que se ocupa
para la ionización. Durante la trayectoria de una part́ıcula, ésta cede enerǵıa
al chocar con la estructura átomica de la materia. Finalmente, cuando toda su
enerǵıa cinética ha sido transferida, la part́ıcula queda en reposo. A la distancia
que la part́ıcula recorrió antes de detenerse, se le nombra rango.
Si podemos medir la enerǵıa cinética de la part́ıcula a través del rango y su
velocidad mediante el nivel de ionizaćıon producido, entonces podemos conocer
la carga y la masa de dicha part́ıcula. Con base en esto, se busca que un detector
de RC nos brinde la información necesaria para poder caraterizar la radiación
cósmica.
Los detectores de part́ıculas se pueden clasificar en dos grupos dependiendo
de la información que nos brinden. El primer grupo de detectores se caracteriza
por mostrar la traza de la trayectoria de la part́ıcula; permitiendo medir el rango
de forma directa y registrar el nivel de ionización.
El segundo tipo de detectores tan solo mide el nivel de ionización. Si se desea
conocer la traza de la part́ıcula es posible utilizar más de un detector y registrar
el paso de la part́ıcula a través de ellos.
Uno de los primeros instrumentos que se utilizó para el estudio de la radiación
cósmica fue el electroscopio. Este instrumento nos ofrece una medida del flujo
total de RC y fue ampliamente utilizado para determinar las variaciones de la
intensidad de RC a diferentes alturas.
Un electroscopio común se compone de dos placas de oro suspendidas sobre
una barra metálica y contenidas en un recipiente de vidrio sellado hermética-
mente. La parte superior de la barra se encuentra fuera del recipiente y al entrar
en contacto con un material cargado las láminas de oro se repelen. Tras retirar
el material cargado, el electroscopio pierde su carga gradualmente y las lámi-
nas terminan en su posición inicial. Este efecto se presenta sin importar el gas
con el que este lleno el recipiente. Hasta la década de los treinta personajes
Rescatando rayos cósmicos 12
como Arthur Compton y Robert Millikan utilizaron esta herramienta en sus
investigaciones.
Figura 2.1: Dr. Arthur
Compton abordo del HMS
Aorangi, el cual llevaŕıa los
instrumentos de Compton
de las costas de Canadá has-
ta Australia para medir las
variaciones de RC.
Arthur Compton, años más tarde, ocupó la
cámara de ionización para medir las variaciones
de la intensidad de RC a diferentes latitudes (Fig.
2.1). La cámara de ionización es un instrumento
que, al igual que el electroscopio, sólo nos permite
medir el flujo total de RC. Está conformada por
un contenedor esférico, lleno de Argón, y blindado
con placas de Bronce para evitar la contaminación
por radioactividad local. En la parte interior de
la cámara se encuentra un eléctrodo conectado a
una fuente de alto voltaje (Fig. 2.2). Cuando una
part́ıcula penetra el blindaje, ioniza el gas y los
iones positivos y negativos son acelerados, por el
alto voltaje, hacia el contendor y el eléctrodo, res-
pectivamente. Como consecuencia de esto se pro-
duce una pequeña corriente eléctrica que puede ser medida por medio de un
ampeŕımetro.
Figura 2.2: Cámara de ionización.
En 1911 Hans Geiger inventó un ins-
trumento contador de part́ıculas: Conta-
dor Geiger. Dicho contador esta consti-
tuido por un alambre delgado que cruza
un cilindro de metal y esta aislado de
tal manera que no toca al cilindro. En-
tre el tubo y el alambre se conecta una
bateŕıa de muy alto voltaje. El princi-
pio de funcionamiento es muy similar al
dispositivo que ocupó Compton; no obs-
tante, el voltaje que se ocupa para pola-
rizar el tubo es mucho más grande que
el de una cámara de ionización[3]. Esto
provoca que en el circuito, que se forma
entre el alambre, el gas y el cilindro, cir-
cule una pequeña corriente y al colisio-
nar una part́ıcula dentro de él se produ-
ce un pulso eléctrico. A este regimen de
operación se le conoce como saturación
(Fig. 2.3).
Al instrumento que desarrolló Geiger, se le llama “contador” debido a que
cada part́ıcula que pasa por él produce un pulso idéntico, permitiendo contar
las part́ıculas pero sin decirnos nada sobre su enerǵıa.
Rescatando rayos cósmicos 13
Los contadores proporcionales son contadores Geiger que no operan en su
punto de saturación, es decir, trabajan a voltajes menores de aproximadamente
1200V [3]. Esto permite conocer la enerǵıa de la part́ıcula, porque al no llegar a
la saturación, las part́ıculas que llegan a ionizar el gas producen un pulso cuya
amplitud y ancho dependen de su enerǵıa y del tiempo de relajación del gas.
Ar
+
-
Fuente de alta tensión
Contador
- Cátodo -
Radiación Ionizante
Ar
Ar
Ar
Ar
+ Ánodo + 
R
C
--
Figura 2.3: Diagrama del funcionamiento de un contador Geiger.
De forma general podemos concebir la cámara de ionización, el contador Gei-
ger y el contador proporcional, como tubos de descarga polarizados a diferentes
niveles de voltaje. En la figura 2.4 se muestran las regiones de operación del tubo
de descarga con respecto a su voltaje de alimentación. La región A es el punto
de operación de la cámara de ionización. En la región B operan los contadores
proporcionales. Finalmente en la región C trabajan los contadores Geiger.
A B C
Voltaje de alimentación
A
ltu
ra
 d
e 
pu
ls
o
(E
sc
al
a 
lo
ga
rít
m
ic
a)
Figura 2.4: Magnitud del pulso de salida de un tubo de descarga como función del
voltaje de alimentación. La curva roja muestra la respuesta a una part́ıcula α mientras
que la curva negra muestra la respuesta a un e
−
.
Uno de los primeros detectores capaz de trazar la trayectoria de una part́ıcu-
la recibió el nombre de cámara de niebla y fue inventado por Charles Thomson
Wilson (Fig. 2.5). En su forma más sencilla, una cámara de niebla es un re-
cipiente que contiene vapor de agua saturado a bajas temperaturas. Cuando
Rescatando rayos cósmicos 14
una part́ıcula cargada interacciona con el vapor, lo ioniza. Los iones resultantes
actúan como núcleos de condensación alrededor de los cuales se forman gotas de
agua. Al paso de la part́ıcula se va produciendo su traza. Esta traza tiene una
forma distintiva, es decir, la traza de una part́ıcula α es ancha y recta, mientras
que la de un electrón es más fina. La implementación de esta tecnoloǵıa trajo
consigo el descrubrimiento del positrón(e+) y del muon(µ).
Figura 2.5: Cámara de niebla de
Wilson en el museo del Laborato-
rio Cavendish, en la universidad de
Cambridge.
Como las cámaras de niebla se dispara-
ban de forma aleatoria, era muy dif́ıcil tener
trazas de rayos cósmicos. Fue Bruno Rossi
el que desarrolló una técnica para mejorar
la sensibilidad de un telescopio RC. Usan-
do dos contadores Geiger en fila, es posible
generar una señal de coincidencia cuando
una part́ıcula pasa por ambos detectores. Si
se sabe que las part́ıculas de RC provienen
de una dirección, la señal de coincidencia
nos permite descartar contar part́ıculas con
trayectorias no permitidas. Años después la
cámara de niebla se usaŕıa en conjunto con
los contadores Geiger para mejorar la técnica.
El primer registro de trazas de rayos cósmicos primarios se hizo por medio
del llamado método fotográfico[2]. Cuando la luz cae en una emulsión fotográfica
produce una reacción qúımica que se muestra después de un tratamiento cono-
cido como revelado. Al incidir una part́ıcula cargada en la emulsión se produce
un cambio similar, y su traza se observa después del revelado. El ancho de la
traza es directamente proporcional al nivel de ionización que la part́ıcula pro-
duce. Las part́ıculas masivas y con mayor velocidad producen trazas gruesas y
de trayectoria recta (Fig. 2.6(a)). Part́ıculas de menor masa y menor velocidad
producen trazas más angostas y trayectorias dispersas (Fig. 2.6(b)).
Las emulsiones fotográficas fueron utilizadas en experimentos de alta mon-
taña, en los Pirineos y en la cordillera de los Andes. En 1950, Cecil Powell
aplicando el método fotográfico probó la existencia del pion.
Con el advenimiento de la Segunda Guerra Mundial y la revolución electróni-
ca, se crearon nuevos sistemas detección capaces de medir la cantidad de enerǵıa
de una part́ıcula y con un tiempo de respuesta mucho menor.
Los centelladores estan formados por un material que al ser impactado por
una part́ıcula cargada emiten luz. Disponiendo de un elemento transductor, tal
como un tubo fotomultiplicador —PMT por sus siglas en inglés—, cada una
de estas emisiones de luz puede ser detectada y transformanda en una señal
eléctrica[4].
El Super Monitor de Neutrones 15
(a) Traza de protones (b) Traza de electrones
Figura 2.6: Trazas de part́ıculas obtenidas por medio de emulsiones fotográficas.
Por otro lado, los contadores Cherenkov se utilizan para detectar part́ıculas
de muy alta velocidad. Estas part́ıculas al pasar a un medio donde su velocidad
supera la velocidad de la luz, emiten radiación electromagnética que puede ser
detectada por tubos fotomultiplicadores.
Hasta aqúı se ha dado un panorama general del avance de los equipos para la
detección de rayos cósmicos, sin embargo, es materia del presente trabajo hacer
alusión al Super Monitor de Neutrones.
2.2. El Super Monitor de Neutrones
Entre 1948 y 1950 John Alexander Simpson de la Universidad de Chicago
diseñó el monitor de neutrones IGY —International Geophysical Year—. Este
detector fue estandarizado en el año Geof́ısico Internacional —1957— para medir
las variaciones de intensidad de radiación cósmica cerca de la tierra. Se colocaron
más de una docena en distintas localidades del mundo, entre ellas: Colorado,
Perú, México, Sacramento y Chicago. Uno de los monitores de neutrones IGY
más destacados fue el de Climax, Colorado. Instalado en 1950, tiene más de 60
años operando en forma continua, lo que lo hace el detector de neutrones más
antiguo del mundo.
El monitor IGY usa contadores proporcionales, de 86cm de largo y 4cm de
diametro, y puede producir una razón de conteo de hasta 25000 cuentas por
hora[5].
En 1964 Hugh Carmichael diseñó el Super Monitor de Neutrones NM64 y
fue el detector de rayos cósmicos estándar en el congreso International Quiet
Sun Year —IQSY—. En comparación con el detector IGY, el Super Monitor
es de dimensiones mayores y tiene una resolución de hasta 750000 cuentas por
El Super Monitor de Neutrones 16
hora.
El NM64 se compone de cuatro partes fundamentales: productor, moderador,
reflector y contador proporcional (Fig 2.7).
Los neutrones que se detectan en el monitor son producidos localmente por
anillos de plomo que cubren a los contadores proporcionales[5]. La producción
de neutrones es función de la densidad átomica del anillo y de la desintegración
nuclear —reacción nuclear que ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos
o más núcleos pequeños—. Se ocupa plomo como productor debido a que su
producción es ocho veces mayor que si se ocupará carbón.
Anillo de Plomo (Productor)
Moderador
Contador Proporcional
3.15 m
.55 m
2.2 m
Estructura de Polietileno (Reflector)
Figura 2.7: Esquema del monitor de Neutrones 6-NM64
El moderador, en el caso del NM64, es una capa de polietileno que rodea a
los contadores proporcionales. El objetivo de éste es disminuir la velocidad de
los neutrones incidentes en los contadores y asi poder aumentar la probabilidad
de que éstos sean detectados.
Los materiales utilizados como moderador deben tener una masa atómica
baja, lo cual se consigue a través de compuestos que contienen hidrógeno, como
la parafina, agua o polietileno.
Alrededor del moderador, los contadores proporcionales y el productor, se
pone un armazón de polietileno que sirve como reflector. Esta capa de polietileno
impide que los neutrones creados en el productor escapen y que los neutrones
de baja enerǵıa producidos en el exterior del monitor afecten la respuesta del
mismo.
El principio de funcionamiento del Super Monitor de Neutrones se basa en
una reacción qúımica que se produce dentro de los contadores proporcionales.
El observatorio de Rayos Cósmicos 17
En el interior de cada contador se encuentra BF3 gaseoso enriquecido al 96%
con B10 a una presión de 0,27bar.
Los neutrones al llegar al interior del tubo producen una reacción qúımica
exotérmica con el Boro, cuyo resultado son núcleos de Litio y Helio (Ec. (2.1)).
Las part́ıculas de Helio son recolectadas en el cátodo del cilindro y provocan
una corriente eléctrica que puede ser detectada.
Bs
10 + n0
1
→ 7Li3 + 4He2 (2.1)
En un 94% de las reacciones que se llevan a cabo dentro del contador los
productos tienen una enerǵıa de 2,3MeV y en el resto de ellas de 2,78MeV . Aun
cuando en el 77% de los casos, el total de part́ıculas producidas son originadas
por neutrones, existen otras part́ıculas que al arribar al tope del detector produ-
cen pulsos adicionales. El 15% de las pulsos totales es producido por protones,
el 7% por muones y el 1% por piones y otras part́ıculas inestables[6].
El monitor cuenta con tres unidades eléctricamente independientes y cada
unidad puede estar formada por 1, 2, 3 o 6 contadores de BF3. De acuerdo a
esto, un monitor se identifica con el número total de contadores, es decir; un
monitor con un sólo contador por sección es llamada 3 − NM64, uno con dos
contadores por sección 6−NM64, uno con tres contadores por sección 9−NM64
y uno con seis 18−NM64.
La mayor parte de las cuentas, en el monitor, se debe a radiación cósmi-
ca, Ncr, pero existe una pequeña tasa de cuentas, Nf , que es producida por
interferencias eléctricas. La Nf debe ser constante si los contadores funcionan
adecuadamente.
Nf representa alrededor del 1% del total de las cuentas en un monitor de
gran altura —2400m al nivel del mar— y menor al 1% a nivel del mar. Si el
monitor se encuentra cerca del ecuador Terrestre, la Nf se incrementa hasta
1,8%[7].
2.3. El observatorio de Rayos Cósmicos
El Insituto Carnegie en 1946 instaló en la Ciudad de México una cámara
de ionización, la cual seŕıa el primer detector de radiación cósmica operando en
forma continua en nuestro pais.
Ocho años más tarde la Universidad de Chicago, con motivo del Año Geo-
f́ısico Internacional, donó un monitor IGY y fue instalado en el Pabellón de
Rayos Cósmicos en Ciudad Universitaria. A cargo de este proyecto se encontraba
Oscar Troncoso en colaboración con la Dr. Ruth Gall —de nacionalidad Polaca
El observatorio de Rayos Cósmicos 18
y naturalizada mexicana, quién fundó el departamento del Espacio Exterior en
el Instituto de Gef́ısica de la UNAM.
Figura 2.8: Estación de rayos
cósmicos Javier Alejandro Otaola
Lizarzaburu.
En 1964, con equipo donado por el Dr.
John Bland de la Universidad de Calgary,
el Instituto de Geof́ısica comenzó la insta-
lación de un monitor de neutrones NM64
en las afueras de Ciudad Universitaria (Fig.
2.8 y 2.9). Este nuevo monitor trabajaŕıa en
conjunto con el monitor IGY hasta princi-
pios de 1975.
Para 1970 los encargados de ambas es-
taciones de rayos cósmicos eran los f́ısicos;
Oscar Troncoso, Gerardo Centeno y Alejan-
dro Hurtado.
Figura 2.9: Monitor 6NM64 ins-
talado en el observatorio de CU.
El monitor IGY utilizaba un sistema de
adquisición de datos basado en un contador
mecánico. Una cámara cinematográfica to-
maba peĺıcula del registro del contador ca-
da 15 minutos. Los datos contenidos en es-
ta peĺıcula, eran posteriormente procesados
por los encargados de la estación.
En 1975 el monitor IGY fue desmante-
lado y el Pabellón de Rayos Cósmicos paso
a ser propiedad de la Facultad de Odonto-
loǵıa de la UNAM. Actualmente el monitor
IGY se encuentra en exhibición en el museo de Geofiśıca de la Ciudad de México
en Tacubaya.
Desde su instalación, el monitor NM64 recogió datos en forma similar al
monitor IGY pero con un tiempo de acumulación de 5min. Sin embargo, la
operación del monitor no era la adecuada debido a errores en su construcción.
El observatorio de Rayos Cósmicos 19
Figura 2.10: Dr. Javier Alejandro
Otaola Lizarzaburu
A principios de 1976 el Dr. Javier Ale-
jandro Otaola Lizarzaburu (Fig. 2.10) se ha-
ce cargo del observatorio, tras un estudio de
la calidad de los datos del monitor, decide
desmantelar el NM64 y comenzar su recons-
trucción hacia el año de 1982.
Los siguientes siete años el observatorio
de Rayos Cósmicos entra en una etapa de
modernización y mantenimiento, y con la
colaboración del Ing. Octavio Musalem Cle-
mente se desarrolla un sistema de adquisi-
ción de datos basado en tecnoloǵıa digital (Fig. 2.11 y 2.12).
Figura 2.11: Ing. Octavio Musa-
lem trabajando en la construcción
del nuevo sistema de adquisición de
datos.
Dentro del proceso de modernización se
reconstruyen los anillos de plomo del de-
tector, las placas de polietileno y los datos
pasan a almacenarse en cintas magnéticas.
Años más tarde, con la participación del
F́ısico Alejandro Hurtado, se logra almace-
nar los datos en una PC.
Para 1989, el Dr. Javier Alejandro Otao-
la Lizarzaburu determina que el funciona-
miento del monitor es correcto y en 1990 se
publican por primera vez los datos obteni-
dos en el monitor.
Figura 2.12: Sistema de adquisi-
ción de datos diseñado por el Ing.
Octavio Musalem.
Haćıa el año 1995 el Dr. Javier Alejan-
dro Otoala Lizarzaburu fallece y se hace
cargo del observatorio el Dr. José Francisco
Valdés-Galicia, que hab́ıa sido alumno suyo
años atras.
Con la dirección del Dr. José Francis-
co Valdés-Galicia se instaló un telescopio de
muones en el observatorio de Rayos Cósmi-
cos —a partir del año 2008 se encuentra
trabajando en forma continua– y en el año
2003 se comenzó la instalación de un teles-
copio de neutrones solares en Sierra Negra,
Puebla.
Finalmente, el trabajo realizado en el
observatorio ha contribuido de manera considerable a la investigación de los
rayos cósmicos. Durante los últimos 21 años, el monitor ha sido testigo fiel de
El observatorio de Rayos Cósmicos 20
la actividad solar y ha esclarecido los misterios de un Sol activo y un Universo
en movimiento.
Algunas de las aportaciones del observatorio a la comunidad cient́ıfica son:
Detección de protones solares de hasta 15GeV el 29 de septiembre de 1989.
Fue el evento solar más grande que se ha podido detectar en los últimos
años.
Detección del evento de neutrones solares del 24 de mayo de 1990[8]. Es-
te hallazgo fue crucial para establecer definitivamente la posibilidad de
detectar neutrones solares en la superficie terrestre.
Hallazgo de una varición de 115 dias en el ciclo solar[5].
Análisis de los efectos de campos eléctricos atmosfericos en los rayos cos-
micos detectados en la superficie[9].
En 1995 investigadores de la Universidad de Roma utilizaron los datos del
monitor de México para calibrar los detectores utilizados en un recorrido
latitudinal[10] [11].
Además de estas aportaciones, con datos del observatorio se han producido:
una tesis de doctorado, tres tesis de maestŕıa y dos de licenciatura. Actualmente
se estan realizando más trabajos de investigación.
El monitor se encuentra en una localidad de 19,33◦ latitud, 99,18◦ de lon-
gitud y 2274m sobre el nivel del mar, detectando part́ıculas con una rigidez
umbral de 8,23GV y trabajando las 24hrs del d́ıa, los 365 d́ıas del año. Sus da-
tos pueden consultarse en tiempo real por internet —http://132.248.105.25— y
es considerado uno de los detectores de neutrones más estables del mundo.
Referencias
[1] Javier A. Otaola y José F. Valdés-Galicia. Rayos cósmicos: mensajeros de
las estrellas. Fondo de cultura económica, México, 1992.
[2] Michael W. Friedlander. Cosmic Rays. Harvard University Press, Boston,
EU, 1989.
[3] Raghbir S. Khandpur. Handbook of modern analytical instruments. Tab
Books, Blue Ridge Summit, 1981.
[4] Jesús Alvarez Castillo. Efectos de las tormentas eléctricas en los rayos
cósmicos detectados en la superficie terrestre. Master’s thesis, Instituto de
Geof́ısica UNAM, 2008.
[5] Rogelio A. Caballero López. Estudio de las fluctuaciones de la radición
cósmica detectadas en la superficie terrestre durante los ciclos solares 22 y
23. PhD thesis, Instituto de Geof́ısica UNAM, 2001.
[6] E. B. Hughes y P. L. Marsden. Response of a standard igy neutron monitor.
Journal of Geophysical Research, 71:1435–1444, 1966.
[7] H. Carmichael y M. Bercovitch. Analysis of iqsy cosmic-ray survey measu-
rements. Canadian Journal of Physics, 47:2073–2093, 1966.
[8] C. R. Barrat H. Debrunner, J. A. Lockwood et al. Energetic neutrons,
protons and γ rays during the 1990 may 24 solar cosmic-ray event. The
astrophysical journal, 479:997–1011, 1997.
[9] Luis X. González Méndez. Efectos de los campos eléctricos atmosféricos
en los rayos cósmicos detectados en la superficie terrestre. Master’s thesis,
Instituto de Geof́ısica UNAM, 2003.
21
REFERENCIAS 22
[10] L. I. Dorman N. Lucci, G. Villoresi and M. Parisi. Cosmic-ray survey to
antarctica and coupling functions for neutron component near solar mini-
mum (1996-1997) 2. meteorological effects and correction of survey data.
Proceedings ICRC, 1997 Salt Lake City, 7:321, 1997.
[11] L. I. Dorman N. Lucci, G. Villoresi and M. Parisi. Determination of neutron
monitor barometric effect on the base of the altitude cosmic-ray intensity
dependence as measured by the israelo-italian mobile laboratory. Procee-
dings ICRC, 1997 Salt Lake City, 7:371, 1997.
ENIAC I fue una de las primeras computadoras utilizadas en el estudio de Rayos
Cósmicos.
✭✭When you can measure what you are speaking about, and can express it in
numbers, you know something about it; but when you cannot measure it,
when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meagre and
unsatisfactory kind . . . ✮✮.
William Thomson, 1st Baron Kelvin
3
Adquisición de datos: un acercamiento a los
rayos cósmicos
En los caṕıtulos anteriores se mostró un panorama general de la naturaleza
de la radiación cósmica y la relevancia de su estudio. También se detallaron
las técnicas que se emplean para la deteccion de este fenómeno y, de particular
importancia para este trabajo, el Super Monitor de Neutrones NM64. Sin em-
bargo, el objetivo de este trabajo es el diseño e implementación de un nuevo
sistema de adquisición de datos para el Observatorio de Ciudad Universitaria.
El sistema de adquisición de datos del Observatorio de Rayos Cósmicos de
Ciudad Universitaria tiene más de veinte años en operación y actualmente pre-
senta algunos problemas en su funcionamiento. Debido a que trabaja de forma
continua, no es posible realizar operaciones de mantenimiento con frecuencia.
El diseño del sistema actual está basado en tecnoloǵıa TTL de bajo consumo
—Transistor-Transistor Logic— de principios de los años ochenta, lo cual lo
hace un sistema grande y complejo. Muchos de los circuitos integrados que se
ocuparon para su construcción ya no se encuentran disponibles comercialmente.
Para llevar a cabo nuestro objetivo, comenzaremos por definir que es un sis-
tema de adquisición de datos, de manera más precisa, su constitución y utilidad.
En este punto, se enfatiza la diferencia entre un sistema de adquisición de datos
para la detección de radiación cósmica y un sistema convencional. Una vez visto
lo anterior, investigaremos los recursos con los que contamos para el diseño y
construcción.
24
¿Qué es un sistema de adquisición de datos? 25
3.1. ¿Qué es un sistema de adquisición de datos?
No siempre es posible recoger información de los fenómenos naturales de
manera directa, por lo que se necesitan sensores que nos den información que se
pueda leer y analizar. Para muchos de estos fenómenos se requiere de un regis-
tro confiable de su comportamiento, pues es fundamental conocer su evolución
temporal. Esto justifica la necesidad de la adquisición de datos.
Existen diversas definiciones de lo que es un sistema de adqusición de datos
—SDAQ. En forma general un SDAQ es cualquier sistema automático capaz
de procesar la información proveniente de un sensor, o conjunto de ellos, y re-
gistrarla en algún tipo de memoria permanente. En la actualidad los tipos de
memoria permanente más utilizados son los digitales.
3.1.1. Partes que componen un SDAQ convencional
En los sistemas de adquisición de datos convencionales se realizan tres pro-
cesos básicos; acondicionamiento, conversión analógica-digital —ADC— y al-
macenamiento. Para efectuar estas tareas, un SDAQ cuenta con otros elementos
que intervienen en la comunicación entre dispositivos y el control de la adqui-
sición. A dichos elementos nos referiremos como bus de datos y software de
adquisición, respectivamente.
Acondicionamiento
El propósito del acondicionamiento es tomar la salida de un sensor y con-
vertirla en una señal utilizable para las siguientes etapas del procesamiento.
Normalmente consiste de circuitos electrónicos que realizan una o más de las
siguientes funciones: amplificación, cambio de nivel, filtrado y acoplamiento de
impedancias. Además, en algunos circuitos, el acondicionamiento de la señal nos
brinda aislamiento entre el sensor y el resto del sistema.
Conversión Analógica-Digital
10101011
Muestreador Cuantificador Codificador
Señal 
analógica
Señal en
tiempo discreto
Señal 
cuantificada
Señal 
digital
Figura 3.1: Esquema de un convertidor Analógico–Digital
La conversión analógica-digital consiste en realizar de forma periódica me-
diciones de la amplitud de una señal —muestreo—, redondear sus valores a
¿Qué es un sistema de adquisición de datos? 26
un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión —cuantificación— y
registrarlos como números, mediante la asignación de algún tipo de código —
codificación—(Fig. 3.1).
El proceso ADC, en la mayoŕıa de los casos, es fundamental si se desea alma-
cenar la información en algún tipo de memoria digital. Para el caso de SDAQ’s
de radiación cósmica, este proceso no es necesario y en secciones siguientes se
explicará porque.
Almacenamiento
El almacenamiento de datos es el registro de la información, proveniente de
un sensor, en una memoria permanente. La importanćıa de este proceso es hacer
posible el objetivo principal de un SDAQ, es decir, estudiar la evolución temporal
de algún fenómeno f́ısico. Luego entonces, śı contamos con el almacenamiento
de dichos datos en un dispositivo y podemos acceder a ellos, logramos tener una
herramienta importante para la investigación de cualquier evento.
La capacidad y tipo del dispositivo de almacenamiento, depende principal-
mente de la cantidad de información que se requiere analizar y del tiempo de
respuesta del dispositivo. El tiempo de respuesta, lo definimos como el tiempo
que el dispositivo tarda en guardar cierta cantidad de datos.
Bus de datos
La comunicación entre los elementos que componen al sistema de adquisición,
se lleva a cabo por medio de un bus de datos.
Se le denomina comunmente bus de datos al conjunto de cables que transfiere
información entre un número de dispositivos. El uso de un bus en un sistema
pone limitaciones en su desempeño debido a sus caracteŕısticas. Entre estas ca-
racteŕısticas estan la capacidad de información que puede transferir el bus y la
distancia máxima entre los elementos que se quiere comunicar.
Cuando se requiere comunicar dispositivos a una mayor distancia, se prefiere
el uso de un bus serial. En un bus de datos serial, la información se transfiere
por un solo cable; el inconveniente de ocupar una comunicación serial es su baja
capacidad para transmitir información.
No obstante, si se necesita una mayor capacidad de transmisión; se puede
utilzar un bus paralelo. En un bus paralelo, la información se transmite por un
número mayor de cables. Con el inconveniente de que a grandes distancias, esta
configuración se vuelve poco práctica.
Sistemas de adquisición de datos para RC 27
Software de adquisición
Actualmente muchos sistemas de adquiśıción de datos cuentan con comu-
nicación directa a una computadora personal —PC. La computadora personal
facilita el almacenamiento y procesamiento de la información. Para que esta
tarea se realice de forma satisfactoria, el SDAQ debe de contar con software
apropiado que permita su comunicación y control. El software que se utiliza
depende de la aplicación, ya que cada adquisidor puede realizar diferentes tipos
de tareas.
Normalmente existen dos niveles de software. En primera instancia se tiene
un controlador o software de bajo nivel que comunica al SDAQ con la PC. El
controlador permite que el sistema operativo de la PC reconozca el dispositi-
vo que se conecta, brinda funciones básicas de comunicación; por su parte la
computadora asigna una dirección al dispositivo y recursos de memoria. El tipo
de controlador depende del bus de datos que exista entre la computadora y el
sistema de adquisición.
Por otra parte, existe un lenguaje de alto nivel encargado de gestionar las
demás rutinas que se envian al sistema. Las rutinas básicas de las que se encar-
ga este tipo de software estan directamente relacionadas con la operación del
sistema. Ejemplos de rutinas básicas son: encender, apagar, iniciar, detener y
reiniciar. Dentro del mismo software se puede programar una interfaz gráfica
que ayude a visualizar los datos, de tal manera que la operación del sistema y
el acceso a la información sea más simple[1].
3.2. Sistemas de adquisición de datos para RC
Un sistema de adquisición de datos es una parte importante en cualquier
sistema de detección de radiación cósmica. La acumulación de datos nos permite
estudiar la variación del flujo de part́ıculas energéticas en el tiempo.
El diseño de cualquier SDAQ, en gran medida, depende de su aplicación.
La naturaleza discreta del fenómeno de radiación cósmica hace que los SDAQ’s
utilizados para este estudio, se diferencien de muchos sistemas convencionales.
El conteo de pulsos es la operación más utilizada en la investigación de RC.
En un monitor de neutrones, cada part́ıcula que arriba a los detectores produce
un pulso cuya magnitud es proporcional a la enerǵıa liberada por la reacción
nuclear que se lleva a cabo dentro de los detectores. Luego entonces, la intensi-
dad de la radiación cósmica, en la localidad del detector, puede ser estimada a
través del conteo de los pulsos generados por los contadores proporcionales. Un
diagrama básico de un sistema que puede ser utilizado para realizar estas tareas
se presenta en la figura 3.2.
Antes de realizar cualquier operación con la señal proveniente de los detecto-
Sistemas de adquisición de datos para RC 28
res, es necesario pasar dichas señales por una etapa de acondicionamiento, como
ya se explicó en puntos anteriores.
Detector
Fuente de alto
voltaje
Preamplificador Amplificador
Formador
Discriminador 
Diferencial
(SCA)
Contador
(Escalador)
Temporalizador
o referencia
Dispositivo 
de
Almacenamiento
Acondicionamiento     Convertidor 
Análogico-Digital
Sensor
Figura 3.2: Sistema de adquisción de datos para RC.
La primera etapa de acondicionamiento es la preamplificación. Un preampli-
ficador es un amplificador cuyo principal objetivo es acoplar la señal de salida
del detector al resto del sistema. Ya que los detectores normalmente no entregan
una señal con suficiente potencia, el preamplificador debe de ser capaz de dar
la potencia necesaria a la señal para que esta pueda ser transmitida al resto del
equipo de adquisición[2].
Desde del punto de vista de la Razón Señal-Ruido —SNR es una medida
utilizada para cuantificar la contaminacion de una señal por ruido—, siempre es
preferible minimizar la carga capacitiva a la salida del preamplificador, debido a
que cualquier carga capacitiva conectada a la salida del preamplificador provoca
atenuación en las señales. Evitar cables de conexión largos entre el detector y
el preamplificador ayuda a maximizar la razón señal-ruido.
Convencionalmente, un preamplificador no debe alterar la forma del pulso, es
decir, debe mantener la información contenida en la amplitud, forma y duración
de éste. A la salida del preamplificador debe haber un pulso de mayor amplitud,
pero que tiene los mismos tiempos de levantamiento y cáıda. Por esta razón se
debe buscar que la impedancia de salida del preamplificador sea mı́nima, ya que
cualquier impedancia en conjunto con la de los cables puede producir atenuación
o distorsión en la señal.[3]
La siguiente etapa de acondicionamiento es la amplificación-formación, la
cual se realiza después de que la señal ha sido transmitida por medio del cable. El
objetivo de esta etapa es conformar al pulso y darle amplitud. La señal saliente
del preamplificador es un pulso muy angosto que tiene tiempos de levantamiento
y cáıda muy pequeños; no es útil para extraer la información de la enerǵıa de
la part́ıcula contenida en la altura del pulso.
Para poder medir la altura del pulso con precisión, es necesario incrementar
los tiempos de levantamiento y cáıda del pulso (Fig. 3.3). Esto se logra haciendo
pasar los pulsos a través de filtros pasa-bajas[3].
Sistemas de adquisición de datos para RC 29
Amplificador
Formador
Salida
Preamplificador
Salida
Amplificador
Formador
Figura 3.3: Principio básico de
funcionamiento de un amplifica-
dor–formador.
Una vez que se logra tener una mejor
resolución en la amplitud, en caso de re-
querirse mediciones con mucha exactitud,
es necesario mejorar la SNR de la señal.
Si este es el caso, se prefiere aumentar la
duración de los pulsos en vez de incremen-
tar su amplitud, debido a los problemas de
distorsión que esto puede ocasionar.
Con objeto de contar los pulsos de ma-
nera confiable, deben ser convertidos a pulsos lógicos. Un discriminador es la
unidad más sencilla que puede realizar esta operación y consiste principalmen-
te de un dispositivo que produce una señal de niveles lógicos. Estos niveles se
producen, si y sólo si, la amplitud de dicha señal se encuentra dentro de una
ventana de referencia. A este tipo de discriminador se le denomina discriminador
diferencial o analizador de un solo canal —SCA.
Dentro de los niveles lógicos de voltaje que se ocupan en los sistemas de
detección de radiación cósmica se encuentran, los estándares: NIM, TTL y ECL.
El estándar NIM —Nuclear Instrumentation Modules— establece un ni-
vel lógico bajo definido por 100mV y un nivel lógico alto definido entre
−600mV y −1,6V .
El estándar TTL —Transitor-Transistor Logic— es el estándar lógico más
utilizado. En contraste con el NIM, el estándar TTL esta definido sólo en
términos de voltaje: un voltaje de 0V a 0,8V corresponde a un nivel lógico
bajo, mientras que un nivel de voltaje entre 2V y 5V corresponde a un
nivel lógico alto.
El estándar ECL —Emitter Coupled Logic— define sus valores de −1,6V
a −1,4V para el nivel lógico bajo y de −1,2V a 0V para el nivel lógico
alto.
Los umbrales para la ventana de referencia se establecen con base en el
rango de enerǵıas de RC que se desea estudiar. Se debe recordar que los con-
tadores proporcionales pueden ser activados por interferencias eléctronicas y
otras part́ıculas de baja enerǵıa. El uso de un discriminador nos garantiza que
los pulsos contados son consecuencia de la radiación cósmica.
Como paso final en un sistema de conteo, los pulsos lógicos deben ser acu-
mulados y el número de ellos registrado por un periodo finito de tiempo[3].
En los sistemas de conteo de pulsos aplicados a RC, los dispositivos que rea-
lizan esta tarea comúnmente se denominan escaladores, por razones históricas.
Actualmente es más común referirse a este tipo de dispositivos como contadores.
Los contadores pueden ser operados en dos modos: por tiempo fijo y por
cuentas fijas. En el modo de tiempo fijo, el perido de conteo es controlado por
Tecnológias para. . . 30
un temporizador externo, el cual indica cuando se requiere almacenar las cuentas
registradas y reiniciar los contadores.
En el modo de cuenta fija, los contadores acumulan cuentas hasta que se
alcance un máximo preestablecido. En este punto, el periodo de conteo finaliza
y se reinician los contadores.
Finalmente la salida del contador es enviada a un tipo de memoŕıa perma-
nente para su posterior análisis y almacenamiento. Actualmente el método de
almacenamiento más confiable es a tráves de una computadora personal.
Estos son los elementos esenciales que componen un sistema de adqusición
de datos para RC. En la siguiente sección se discutirá sobre los recursos dis-
ponibles para la implementación de un sistema capaz de realizar las funciones
aqúı mencionadas.
3.3. Tecnológias para la implementación de
SDAQ’s para RC
Escencialmente existen tres formas en las que se puede diseñar un sistema
de adqusición de datos para RC: utilizando instrumentos modulares, diseñando
sistemas de aplicación espećıfica y por último, se encuentra la posibilidad de,
construir un sistema h́ıbrido, en el cual se combinan los sistemas modulares y
algunos dispositivos de aplicación espećıfica.
La revisión aqúı presente, solo contempla las dos primeras opciones.
3.3.1. SDAQ’s basados en instrumentos modulares
Los instrumentos modulares son muy populares en los ámbitos industria-
les y cient́ıficos, por su fácil aplicación. La idea básica es construir un sistema
de adquisición de datos completo conectando módulos individuales. La ventaja
más clara de este tipo de sistemas es su costo reducido y el poco tiempo que
requieren en su diseño e implementación. La principal desventaja radica en las
reestricciones impuestas por el fabricante en las especificaciones del producto y
la dependencia que se genera en el usuario al ajustar sus necesidades a la oferta
del fabricante.
Entre los instrumentos modulares más comúnmente utilizandos para la de-
tección de RC se encuentran: NIM, CAMAC y VME.
El estándar NIM
El estándar NIM—Nuclear Instrumentation Modules— se desarrolló en 1964
con la idea de introducir al mercado módulos reemplazables que puedieran ser
Tecnológias para. . . 31
utilizados en forma conjunta para realizar las tareas de adqusición de datos.
Un sistema NIM consiste de dos partes principales; el NIM crate (Fig. 3.4(a))
y los módulos NIM (Fig. 3.4(b)). El NIM crate es un chasis voluminoso en el cual
se pueden conectar los módulos NIM y proveerlos de alimentación eléctrica[2].
Además, el NIM crate proporciona un bus de datos que permite la comunicación
entre los módulos, aunque la comunicación que se logra es muy limitada —
sólo tiene ĺıneas para habilitar y reestablecer los módulos. Los módulos NIM
se conectan al bus de datos mediante conectores especiales llamados conectores
NIM.
En total se pueden conectar hasta 12 módulos NIM al NIM crate que en
conjunto pueden consumir hasta un máximo de 1900W .
(a) Nim Crate (b) Módulos NIM
Figura 3.4: Partes que integran un sistema NIM.
El estándar NIM no se adapta a situaciones en las que se requiere procesar
grandes cantidades de datos digitales, debido a que el NIM crate está limitado
en la cantidad de módulos NIM que puede soportar. Asimismo, una de las
deficiencias del estándar NIM es no contar con una conexión directa a la PC.
Estas consideraciones han llevado a la implementación de una interfaz estándar
entre SDAQ’s y PC’s y el desarrollo del estándar CAMAC.
El estándar CAMAC
El estándar CAMAC —Computer Automated Measurement and Control—
fue desarrollado en 1969. Cuenta con una arquitectura mucho más versátil que la
NIM pero mucho más complicada en su implementación. El estándar CAMAC
cuenta con una interfaz directa a la PC y con ella se pueden dar comandos a
cada uno de los módulos.
Los módulos CAMAC se conectan a un CAMAC crate (Fig. 3.5(a)); el cual
puede alojar hasta 24 módulos CAMAC (Fig. 3.5(b)). Una parte fundamental
del sistema CAMAC es el módulo denominado crate controller (Fig. 3.5(c)).
Tecnológias para. . . 32
El crate controller es una parte integral del sistema ya que es el encargado de
controlar la adquisición y el envio de datos a la computadora. No puede ser
reemplazado por ningún otro módulo[2].
El estándar CAMAC maneja un tamaño de palabra de 24bits y puede trans-
mitir una tasa de 3MB/s.
(a) CAMAC Crate (b) DAQ CAMAC (c) Crate controller
Figura 3.5: Partes que integran un sistema CAMAC.
El bus de datos del CAMAC crate consiste en ĺıneas: de control, datos,
direcciones y que pueden suministrar alimentación al resto de los módulos. La
potencia total del sistema no debe sobrepasar los 200W .
CAMAC utiliza el estándar lógico TTL, pero con la convención de niveles
altos y bajos invertida, es decir, un nivel de tensión alto corresponde a un nivel
lógico bajo y viceversa.
El estándar VME
Figura 3.6: Sistema de adquis-
ción de datos basado en VME.
En 1981 Motorola y otras compañias elabo-
raron el estándar VME —VERSAmodule Euro-
card. La motivación principal detrás de la crea-
ción de VME era introducir en la instrumenta-
ción modular el concepto de alta densidad de
computo[2].
El estándar VME maneja un tamaño de pa-
labra de 32bits y cuenta con un modo de direc-
cionamiento de 64bits. También cuenta con co-
nexiones que pueden ser definidas por el usuario
y un mejor esquema de tierras. Puede transferir datos a una tasa de 80MB/s.
Un VME crate tiene espacio para 20 módulos individuales y un crate ma-
nager que cumple con las funciones del crate controller CAMAC. En conjunto
el sistema puede consumir hasta 200W . En la figura 3.6 se muestra un ejemplo
de un sistema VME completo.
Tecnológias para. . . 33
El bus de datos que utiliza VME cuenta con ĺıneas para: alimentación eléctri-
ca, datos, direcciones e interrupciones.
VME cumple con las especificaciones del estándar TTL y puede aceptar otros
tipos de señales lógicas mediante el uso de módulos especiales que se integran
al sistema.
3.3.2. Sistemas de aplicación espećıfica
A principios de la década de los ochenta los avances en las tecnoloǵıas de fa-
bricación de circuitos integrados llevaron al desarrollo de los circuitos integrados
de aplicación espećıfica —ASIC. Microcircuitos que pod́ıan realizar las funciones
básicas de amplificación, comparación de voltaje, codificación y almacenamien-
to de información fueron combinados en ASIC’s para realizar las funciones de
preamplificación, discriminación y conteo, entre otras. Esto permitió la intro-
ducción de un nuevo modelo en la instrumentación nuclear y la creación de
nuevos sistemas de detección de radiación con una mayor complejidad.
No obstante, el diseño de sistemas basados en ASIC’s implica una gran in-
versión, ya que requieren de un enorme tiempo en su elaboración y un proceso
de fabricación muy costoso. Por estas razones, el uso de ASIC’s en sistemas de
detección de RC, se limita a proyectos de gran magnitud.
Para sistemas de pequeña a mediana escala, el diseño de sistemas embebidos,
basados en microcontroladores —MCU— o dispositivos lógicos programables —
PLD— es una buena opción. Algunos autores definen sistema embebido como;
un sistema que contiene software y hardware, que esta diseñado para realizar
una aplicación espećıfica. Sin embargo, una definición más general seŕıa la si-
guiente: un sistema embebido es un dispositivo, instrumento o sistema, que esta
construido para realizar una o más tareas espećıficas sin requerir elementos adi-
cionales a los dispuestos en él. Los sistemas embebidos tienen la ventaja de
consumir menos potencia que los sistemas digitales basados en componentes
discretos, también ocupan un menor espacio, lo cual facilita su construcción.
Un microcontrolador (Fig. 3.7) es un circuito integrado que incluye en su in-
terior las tres unidades fundamentales que componen una computadora: unidad
central de procesamiento, memoria y unidades de E/S[4].
Los microcontroladores son utilizados en el desarrollo de sistemas embebidos
debido a su flexibilidad en la programación, tamaño reducido y menor costo —
en comparación con elementos discretos. El tamaño de la unidad central de
procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependen de
la aplicación.
En lo que respecta a la flexibilidad de programación, se han desarrollado
diversos tipos de lenguajes de programación para microcontroladores. Los más
Tecnológias para. . . 34
utilizados son: ensamblador, BASIC y C[5].
Para desarrollar un sistema embebido basado en MCU se debe elegir un
MCU tomando en cuenta los siguientes criterios:
Reloj
Unidad Central de
Proceso
Unidad
Lógica
Aritmetica
Unidad de 
control
Registros
Unidad
de
Memoria
Unidad
de
Entradas
Salidas
BUS DE DIRECCIONES
BUS DE CONTROL
BUS DE DATOS
Figura 3.7: Arquitectura básica de un
microcontrolador.
Tamaño y tipo de memoria.
Número de ĺıneas de E/S.
Módulos de control de periféricos.
Tras la elección del microcontrolador, es necesario desarrollar la descripción
detallada del funcionamiento del sistema, utilizando diagramas de flujo, y selec-
cionar un lenguaje de programación. Una vez que se tiene el diagrama de flujo,
se debe transcribir el código utilizando el lenguaje escogido.
Debido a que la adquisición de datos de RC requiere procesar un gran número
de señales en forma simultánea, los sistemas embebidos basados únicamente en
microcontroladores resultan ser ineficientes y poco prácticos. En este campo de
estudio, es más común encontrar sistemas embebidos que empleen un conjunto
de microcontroladores de bajo costo o una combinación entre microcontroladores
y dispositivos lógicos programables[6] [7].
Un dispositivo lógico programable es un circuito integrado de uso general
que sirve para implementar sistemas digitales. Un PLD es un dispositivo que
contiene una cierta cantidad de arquitecturas lógicas genéricas —básicamente
compuertas lógicas y flip-flops— que se pueden configurar —interconectar—
para establecer en su interior diversas arquitecturas más complejas y con inde-
pendencia de operación —procesos concurrentes.
Dentro de este tipo de dispositivos existen diversas familias. Cada familia
tiene su propia arquitectura interna y son de diversa capacidad.
Hace aproximadamente tres décadas la principal limitante de los PLD’s se
encontraba en su limitada capacidad para sintetizar funciones lógicas. Hoy en
d́ıa, debido a los avances en el diseño y construcción de circuitos integrados,
se cuenta con dispositivos de muy alta escala de integración. Esta tecnoloǵıa
permite el diseño de sistemas digitales complejos.
Tecnológias para. . . 35
Un FPGA —Field-Programmable Gate Array— es un dispositivo lógico pro-
gramable —PLD—, con alta escala de integración, que permite reproducir desde
funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una compuerta lógica, o un
sistema combinacional, hasta complejos sistemas en un chip, como lo pueden
ser sistemas de computo de alto desempeño, procesamiento digital de señales e
imágenes médicas, entre otros.
La arquitectura básica de un FPGA se compone de los siguientes elemen-
tos: bloques lógicos —un bloque lógico permite sintetizar funciones lógicas—,
bloques de E/S y canales de enrutamiento.
Figura 3.8: Arquitectura de un FPGA.
Para diseñar sistemas embebidos basados en FPGA’s, se requiere definir la
función lógica que realiza cada uno de los bloques lógicos, seleccionar el modo
de trabajo de cada bloque de E/S e interconectarlos.
Se cuenta con la ayuda de entornos de desarrollo especializados para el di-
seño de sistemas en FPGA’s. La forma de diseño más común es mediante el uso
de un lenguaje de descripción de hardware o HDL —Hardware Description Lan-
guage. Se puede definir un HDL como un lenguaje que permite la descripción
formal y diseño de un circuito electrónico. Puede describir la operación del cir-
cuito, su organización y verificar su comportamiento por medio de simulaciones
numéricas. Algunos ejemplos de HDL’s son: VHDL, Verilog y System C.
Dentro de las grandes ventajas que ofrecen los PLD’s se encuentra su capa-
cidad de realizar procesos de manera concurrente e independiente. Un sistema
diseñado en un PLD tiene la posibilidad de efectuar varios procesos al mismo
tiempo. En un problema en donde se requiera el manejo de múltiples entra-
Tecnológias para. . . 36
das y salidas, y un gran número de operaciones independientes se prefiere la
utilización de PLD’s.
Otro factor importante para la elección de los dispositivos lógicos progra-
mables son las ventajas de trabajar con un HDL. Los HDL’s son lenguajes que
son independientes de la plataforma de desarrollo y del tipo de dispositivo que
se elija, a diferencia de los microcontroladores. La elección de un HDL para el
desarrollo de cualquier proyecto, brinda la posibilidad de realizar modificaciones
en un futuro sin estar limitados por la plataforma de desarrollo o el tipo de
dispositivo que se utilice.
Por el otro lado, el diseño con PLD’s suele ser más demandante en términos
de tiempo ya que se requiere un mayor tiempo de diseño, programación, si-
mulación, prueba y depuración. En conjunto con esto, los altos precios de este
tipo de tecnoloǵıa hacen que este tipo de soluciones sean más costosas que su
contraparte en MCU’s.
Actualmente la tecnoloǵıa de PLD’s es muy empleada para los sistemas de
adquisición de datos para radiación cósmica. Ejemplos de esto son el sistema de
adquisión de datos ocupado en HAWC —High Altitude Water Cherenkov—[8]
y el SDAQ del arreglo de Telescopios de la Universidad de Tokyo Japón[9], entre
otros.
Referencias
[1] Carlos Chicala. Adquisición de datos - Medir para conocer y controlar. So-
luciones en control S.R.L., Buenos Aires, Argentina, 2004.
[2] Syed Naeem Ahmed. Physics and engineering of radiation detection. Elsei-
vier, Reino Unido, 2007.
[3] Glenn F. Knoll. Radiation detection and measurement. John Wiley and
sons, Inc., Nueva York, EU, 2000.
[4] Christian Tavarnier. Les microcontróleurs 4 et 8 bits. DUNOD, Francia,
1995.
[5] Eugenio Mart́ın Cuenca y José Maŕıa Angulo Usategui. Microcontroladores
PIC. Paraninfo, España, 1998.
[6] Saito Katsuhiko. 8+8n channels monitoring system with pic microcontro-
llers on scintillation counters for cosmic ray observation. Research Reports
Ashikaga Institute of Technology, 36:53–60, 2003.
[7] S. Hansen et al. Low-cost data acquisition card for school-network cosmic
ray detectors. IEEE Transactions on Nuclear Science, 51:926–930, 2004.
[8] L. Villaseñor et al. Measurement of the response of water cherenkov detectors
to secondary cosmic-ray particles in the hawc engineering array using a fast
custom-made daq system. Proceedings ICRC, LODZ 2009, 31, 2009.
[9] A. Taketa et al. The trigger and daq system of the surface detector array of
the telescope array experiment. Proceedings ICRC, LODZ 2009, 31, 2009.
37
Yo no sab́ıa que decir, mi boca
no sab́ıa
nombrar,
mis ojos eran ciegos,
y algo golpeaba en mi alma,
fiebre o alas perdidas,
y me fúı haciendo solo,
descifrando
aquella quemadura,
y escrib́ı la primera ĺınea vaga,
vaga, sin cuerpo, pura
tonteŕıa,
pura sabiduŕıa
del que no sabe nada,
y vi de pronto
el cielo
desgranado
y abierto,
planetas,
plantaciones palpitantes,
la sombra perforada,
acribillada
por flechas, fuego y flores,
la noche arrolladora, el universo.
Fragmento: La poeśıa
Pablo Neruda
4
El nuevo sistema de adquisición de datos del
Observatorio de Rayos Cósmicos
Hasta el momento hemos analizado las particularidades que un sistema de
adquisción de datos para RC presenta. El siguiente paso es planear y proyec-
tar el diseño del nuevo adquisidor de datos. Comenzaremos por mencionar los
requerimientos técnicos del proyecto y las necesidades que este debe de cubrir.
En el caso del observatorio de rayos cósmicos de Ciudad Universitaria, el
siguiente diagrama ilustra la distribución de los elementos que componen al
SDAQ (Fig. 4.1).
Detector NM64
Preamplificación-Discriminación. Alto Voltaje.
Barómetro.
Temporizador.
Computadora Personal.
Módulo Escalador.
Interfaz y Memoria Temporal. 
Amplificador-Formador.
Figura 4.1: Sistema de adquisción del observatorio de RC en CU.
Se puede observar que el sistema, cumple con las caracteŕısticas mencionadas
39
40
en la sección 3.2. Es importante notar que la función de almacenamiento de datos
se lleva a cabo por medio de una PC y el modo de operación del sistema es en
tiempo fijo, es decir, existe un módulo temporizador que lleva el control del
tiempo de adquisición. Por medio de este tiempo se establecen los periodos de
conteo y almacenamiento del SDAQ.
El nuevo sistema de adquisición debe cumplir con el mismo principio de
funcionamiento. En el diseño no se considera, por el momento, la modernización
de la etapa de preamplificación y discriminación ya que su funcionamiento es
correcto.
El requerimiento más importante del diseño es fundamentar el proyecto sobre
tecnoloǵıa moderna. La principal razón tras esta idea es garantizar un mejor
desempeño y prolongar su vida útil.
Igualmente, para prologar la vida útil del equipo y con vista hacia los nuevos
retos que se presenten en el observatorio, se explorará la posibilidad de crear un
instrumento que facilite su reproducción y rediseño.
De los elementos que componen el sistema, el temporizador es uno de los
más importantes y requiere un cuidado especial en su diseño. En el observato-
rio de rayos cósmicos en CU, la tarea de temporización se realiza mediante un
oscilador eléctronico y un contador digital. Tal circuito presenta el incoveniente
de tener desviaciones en su frecuencia de operación y por lo mismo, variaciones
en el tiempo de adquisición. Estas variaciones provocan que los datos de fecha y
hora sean incorrectos. En consecuencia, se tiene la necesidad de ajustar periódi-
camente la frecuencia del temporizador y los datos de hora y fecha. La meta en
el nuevo adquisidor, es lograr que el ajuste se realice de forma automática. Con
esto se logrará una mejor autonomı́a, lo cual es deseable pues el sistema debe
trabajar las 24hrs del d́ıa, los 365 d́ıas del año.
Hasta ahora, no se ha explicado la utilidad de contar con un sensor de presión
en el sistema —Fig 4.1. La importancia de este módulo reside en la influencia
directa que ejerce la presión atmosférica sobre la radiación cósmica —Sección
1.1.2. Śı al mismo tiempo que obtenemos los datos de radiación, sensamos la
presión, podemos realizar el ajuste correspondiente en las cuentas, para alcanzar
un estimado de la intensidad de la radición cósmica sin el efecto atmosférico.
El observatorio de rayos cósmicos en CU cuenta con un barómetro digital para
realizar este trabajo. Dicho instrumento es confiable por lo que se buscará seguir
obteniendo datos de él.
Contar con un mejor estimado pone al observatorio a la vanguardia y nos
brinda información confiable. Una de las desventajas del NM64 es el tiempo
muerto que se genera tras el arribo de una part́ıcula. Durante este tiempo,
el detector es incapaz de producir un nuevo pulso si se presenta otra part́ıcula.
Como consecuencia, sólo se genera un pulso de mayor duración. A este fenómeno
se le conoce como multiplicidad del detector y se relaciona directamente con el
¿Qué camino tomar? 41
tiempo de relajación que sufre el gas tras ser ionizado. El nuevo adquisidor
de datos contempla superar este obstáculo distinguiendo entre los pulsos de
duración normal y aquellos que sobrepasan un umbral temporal.
Finalmente, en el nuevo diseño, la PC no sólo sirve como medio de alma-
cenamiento, sino que realiza otras funciones. Entre estas funciones la más im-
portante es el control de la adquisición de datos. El control de la adquisición
consiste en una serie de instrucciones que permiten: iniciar la adquisción, dete-
ner la adquisición, transferir la información, cambiar el tiempo de adquisición
y reestablecer las condiciones iniciales del sistema. En el caso de realizar prue-
bas o diagnósticos, una herramienta de dignóstico muy util es la generación de
gráficas y despliegue de información. El uso de la PC facilita al usuario estas
operaciones.
La exposición previa tiene la intención de plantear el problema a resolver y
encaminarnos hacia la toma de decisiones. Se han expresado los requerimientos
y necesidades del observatorio, aśı como los recursos con los que se cuenta. Es
momento de plantear la pregunta; ¿qué camino tomar?.
4.1. ¿Qué camino tomar?
Śı comparamos las caracteŕısticas que nos ofrecen los instrumentos modu-
lares y los sistemas de aplicación espećıfica, son claras las ventajas que nos
proporciona el diseño a la medida.
La ventaja mas evidente del diseño a la medida, se encuentra en los pro-
ductos que se obtienen durante el desarrollo del proyecto. Además de contar
con un equipo que satisface nuestras necesidades, en el proceso de diseño se
generan diagramas eléctricos, documentación y software. Dicha información es
valiosa, debido a que facilita la comprensión del funcionamiento del sistema y
proporciona material necesario para su mantenimiento, producción y rediseño.
En el caso de que el diseño se hiciera con algún sistema comercial no se
contaŕıa con estos beneficios. Por otro lado, seŕıa necesario ajustar el equipo a
nuestras necesidades debido a que ningún sistema cumple al cien por ciento los
requerimientos expuestos.
De los sistemas de aplicación espećıfica sólo se encuentra a nuestro alcance
el desarrollo de sistemas embebidos basados en microcontroladores —MCU—
o dispositivos lógicos programables —PLD— ya que los sistemas basados en
ASIC’s son demasiado costosos.
Concepción del sistema 42
Un sistema embebido, desarrollado bajo cualquiera de estas tecnoloǵıas, pue-
de cumplir con las necesidades del observatorio. Sin embargo, se prefiere el desa-
rrollo de sistemas embebidos basados en PLD´s por las siguientes razones:
Procesos simultáneos e independientes. Esta caracteŕıstica puede ser ex-
plotada de manera muy eficiente en el diseño del sistema. Como se ex-
plicó con anterioridad, el monitor NM64 está compuesto de contadores
proporcionales y cada uno de ellos entrega un tren de pulsos. El proce-
samiento de la información de cada uno de estos contadores se realiza de
manera simultánea e independiente.
Facilidad en el rediseño del sistema. La elección del tipo de dispositivo de-
pende en gran parte de su capacidad de sintetizar funciones lógicas —
número de celdas lógicas. Śı se requiere agregar un mayor número de
módulos al sistema, es decir, otros procesos que trabajen de forma inde-
pendiente, únicamente se demandaŕıa un dispositivo de mayor capacidad.
Independencia entre el tipo de dispositivo y HDL´s. Como ventaja ex-
tra hacia el futuro del sistema, se tiene la flexibilidad que nos brindan los
HDL´s con respecto a la elección de la plataforma de desarrollo y tipo de
dispositivo —Veáse Sección 3.3.2.
Por último, debemos enfatizar la capacidad de los PLD’s para realizar diseños
cien por ciento a la medida.
4.2. Concepción del sistema
Para comenzar el diseño, se requiere tener un panorama general del fun-
cionamiento de nuestro sistema. Podemos visualizar nuestro sistema como una
caja negra, cuyo contenido es desconocido. Se distinguen dos tipos de señales:
aquellas que se desean procesar —señales de entrada— y aquellas señales que
son resultado del procesamiento —señales de salida.
El primer grupo comprende la señal proveniente del monitor NM64 —el
funcionamiento de este detector fue detallado en el capitulo dos— y la señal
proveniente del sensor de presión Meteolabor AG GB1.
Consideraremos dos señales más, la señal de tiempo y la señal de usuario. La
primera servirá para llevar el control del tiempo de adquisición, el periodo de
tiempo durante el cual se acumulan los datos antes de almacenarlos y reiniciar
el proceso. La señal usuario es el conjunto de instrucciones que da dirección al
sistema sobre las tareas a realizar.
Como resultado del procesamiento se espera obtener: número de part́ıculas
que atraviesan el detector por unidad de tiempo —cuentas sencillas—, estimado
del número de part́ıculas que no se logra contar debido a la multiplicidad del
detector o cuentas múltiples —este punto se retomará más adelante—, datos de
Concepción del sistema 43
presión atmosférica, fecha, hora y gráficas con el despliegue de información que
permitan diagnosticar el funcionamiento del detector de neutrones.
El siguiente paso del diseño fue determinar los módulos que constituyen nues-
tra caja negra. El funcionamiento de cada uno de estos subsistemas será descrito
por medio de sus entradas y salidas (Fig. 4.2).
Detector
Sensor de Presión
Módulo de amplificación, 
discriminacion y cambio de nivel.
Módulo Canal 
de neutrones
Módulo de presión
Módulo Comunicación I2C
DAQ Software
Figura 4.2: Módulos que componen al nuevo sistema de adquisición de datos.
Un módulo será el encargado de procesar la señal del detector y producir
la información de cuentas múltiples y cuentas sencillas, dicho módulo tiene por
nombre, módulo de canal de neutrones.
Otra parte del sistema lleva por nombre módulo de presión. Este módulo re-
cibe la señal del sensor Meteolabor AG GB1 y como resultado del procesamiento
se obtienen los datos de presión atmosférica.
El módulo de canal de neutrones no puede trabajar directamente con la señal
proveniente del monitor NM64 ya que esta señal, además de ser de bajo nivel,
contiene ruido eléctrico y otras interferencias. Por esta razón, previo al conteo
de pulsos, es necesario agregar una etapa de acondicionamiento.
De la misma forma se requiere acondicionar la señal del sensor de presión
para poder trabajar con ella.
Al módulo que nos proporciona la conexión entre el sensor de presión y el
módulo de presión, el NM64 y el módulo canal de neutrones, se le denomina
módulo de amplificación, discriminación y cambio de nivel.
Es importante recordar que los datos deben ser almacenados de forma pe-
riódica. Como se mencionó anteriormente, se utilizará una PC como medio de
almacenamiento, control del sistema y despliegue de información. De esta ma-
nera, es necesario contar con un módulo que facilite la comunicación entre la
PC y el resto del sistema —módulo de comunicación I2C. La entrada al módu-
lo es la información de cuentas múltiples, cuentas sencillas y datos de presión
atmosférica. A la salida se tiene una trama de datos que pueden ser procesada
por la computadora.
Módulo de comunicación I2C 44
Para que la PC ejecute las funciones mencionadas, se necesita de un software
especializado, al que nos referiremos como módulo de software de adquisión.
Como entrada de este módulo se tiene: la señal de tiempo, la cual se obtiene
de un servidor; la señal de usuario y la trama de datos. Como salida se tiene:
señales de control, gráficas con despliegue de información y datos de fecha y
hora.
Los módulos que se encargan de procesar las señales provenientes del moni-
tor NM64, el sensor Meteolabor AG GB1 y el módulo de comunicación I2C, se
sintetizarán a través del dispositivo lógico programable.
Por esta razón, el diseño del módulo canal de neutrones se hará considerando
una sola entrada, es decir, solo se tomará en cuenta la señal de un contador pro-
porcional. Al final, aprovechando las propiedades de los PLD’s, se replicará este
módulo para cubrir la cantidad de contadores necesaria.
Una vez precisados los requerimientos del diseño, las necesidades a cubrir y
haber delineado la concepción del proyecto, continuaremos con la exposición del
diseño de cada uno de los módulos y su interconexión. El funcionamiento del
sistema, pruebas y resultados será motivo del caṕıtulo final de esta tesis.
4.3. Módulo de comunicación I2C
Retomando lo expuestó en la sección anterior, el objetivo principal del módu-
lo de comunicación I2C es facultar al sistema de adquisición de datos con una
interfaz de comunicación. Tal interfaz comunica dispositivos periféricos con una
computadora personal.
Previo a la descripción de este módulo, profundizaremos en el protocolo de
comunicación I2C, protocolo sobre el cual basamos nuestro diseño.
4.3.1. ¿Qué es el bus I2C?
El bus Inter-Integrated Circuit —I2C— es un bus de comunicaciones serie
que permite la comunicación entre diversos dispositivos conectados al bus y que
normalmente se encuentran en la misma placa de circuito. Actualmente es una
de las interfaces de comunicación serie más utilizadas y ha sido integrada en
más de mil circuitos integrados diferentes. Entre sus aplicaciones se encuentran:
lectura de sensores de dignóstico dentro de una PC, lectura de relojes en tiempo
real, encendido y apagado de fuentes de voltaje de un sistema, entre otras.
El estándar fue desarrollado por Phillips a finales de los años 80’s y cuenta
con las siguientes caracteŕısticas:
Interfaz de comunicación serie. El I2C utiliza dos ĺıneas de comunicación:
SCL y SDA. La ĺınea SCL proporciona un reloj de referencia para la
Módulo de comunicación I2C 45
transferencia de datos. La ĺınea SDA asegura que los datos serie esten
sincronizados con los cambios de la señal de reloj.
Protocolo de comunicación sincrona. La transferencia de datos siempre es
iniciada por un dispositivo que denominaremos maestro. Por medio de
una señal de reloj, que genera el maestro, se sincroniza la transferencia de
información.
Cumple con el modelo maestro-esclavo. El dispositivo maestro controla
la señal de reloj e inicia y finaliza la comunicación. Esta señal dicta los
tiempos de transmisión en el bus. Los esclavos no tienen control alguno
sobre la comunicación.
Transferencia de datos bidireccional. La información en el bus puede fluir
en cualquier dirección: de maestro a esclavo o de esclavo a maestro.
Por otra parte, el bus soporta velocidades de transmisión de 100kbits/s en
el modo estándar y hasta 400kbits/s en modo rápido. El bus I2C puede accesar
hasta 128 dispositivos conectados a él.
Existen varias razones que hacen al bus I2C idóneo para nuestro proyecto. La
principal razón yace en su estructura sencilla, que requiere de pocos elementos.
Esto implica que su śıntesis en un PLD es factible.
Otra ventaja se encuentra en la gran cantidad de dispositivos que inclu-
yen una interfaz I2C y su facilidad para ser interconectados al bus. Dentro de
estos dispositivos se encuentran: sensores de presión, temperatura, de campo
magnético y relojes en tiempo real. Estos módulos bien podŕıan ser útiles en un
futuro.
Dentro de los incovenientes que presenta el bus se encuentran su baja ve-
locidad de transmisión y corta distancia de interconexión. Para nuestro diseño
ninguno de estos presenta una limitante.
Módulo de comunicación I2C 46
4.3.2. Protocolo de comunicación I2C
Vcc
Resistencia pull  up
Maestro
Esclavo Esclavo Esclavo
SDA
SCL
Figura 4.3: Conexión de dispositivos
al bus.
Las ĺıneas SDA y SCL se conectan
a un voltaje positivo por medio de una
resistencia de pull-up (Fig. 4.3). Esta re-
sistencia es necesaria ya que los disposi-
tivos que se conectan al bus son de Open
Drain. Esto quiere decir que a su salida
tienen un transistor de efecto de cam-
po sin polarización. Este transistor se
comporta como un interruptor; cuando
el dispositivo quiere enviar un uno lógi-
co, el transistor se conecta en alta impedancia; cuando el dispositivo quiere
enviar un cero lógico, el transistor se conecta a 0V .
Esta consideración es importante si se desea diseñar un dispositivo que se
conecte al bus.
El protocolo de comunicación I2C (Fig. 4.4) se expone en los siguientes
pasos:
1. Antes de la transmisión, la ĺınea SCL y SDA se encuentran en nivel al-
to. Śı el maestro desea inciar la transferencia, genera una condición de
START. Esta condición se define como la transición de nivel alto a nivel
bajo de la ĺınea SDA, mientras la ĺınea SCL permanece en alto.
2. EL maestro genera nueve pulsos de reloj en la ĺınea SCL. En los primeros
siete pulsos, en la ĺınea SDA se encuentra la dirección del esclavo con el que
se desea establecer la comunicación. Cada esclavo tiene una dirección única
en el bus. El octavo bit indica al esclavo qué operación desea realizar el
maestro. Śı el valor de SDA es bajo, el maestro desea escribir en el esclavo;
śı el valor es alto el maestro desea leer datos del esclavo.
3. Si la dirección enviada por el maestro es reconocida por algún esclavo co-
nectado al bus, éste pone en nivel bajo la ĺınea SDA. Esto sucede durante
el noveno pulso generado por el maestro y se conoce como ACKNOW-
LEDGE —ACK. En caso de que el maestro no reciba el ACK por parte
de un esclavo, la comunicación finaliza.
4. Después de que el maestro recibe el ACK, la comunicación puede seguir
dos caminos distintos:
Śı el maestro va a escribir en el esclavo, genera los pulsos necesarios
para transmitir los datos a grabar, en paquetes de 8bits. Al finalizar
cada paquete el maestro genera un pulso de reloj extra para que el
esclavo conteste con un ACK.
Módulo de comunicación I2C 47
Śı el maestro va a leer datos del esclavo, genera los pulsos necesarios
para que el esclavo envie la información que el maestro esta esperan-
do. Tras cada byte recibido, el maestro genera un pulso de reloj extra
y le informa al esclavo que recibió el dato.
5. Para finalizar la transmisión, el maestro genera la condición de STOP.
Esta condición se define como la transición de nivel bajo a nivel alto en
SDA mientras SCL esta en nivel alto. La condición de STOP también se
genera cuando el maestro no recibe ACK de ningún esclavo.
Linea de
Datos (SDA)
Linea de
Reloj (SCL)
Dirección
Lectura/Escritura
ACK Datos
Condición
de inicio
Condición 
de alto
Figura 4.4: Protocolo de comunicación I
2
C
Sólo el maestro puede generar las condiciones de START y STOP en el bus.
Solamnete en estas condiciones se permite un cambio de SDA mientras SCL esta
en alto. En cualquier otro caso SDA debe mantener un valor constante cuando
SCL este en nivel alto.
4.3.3. Descripción del módulo I2C
En todo esquema de comunicación I2C, lo primero es definir el dispositivo
maestro y los dispositivos esclavos. En el caso de nuestro proyecto la PC ocu-
pará el lugar del maestro y el resto del sistema —Módulo canal de neutrones y
Módulo de presión— figura como esclavo.
La elección del maestro, conviene al proceso de adquisición de datos debido
a que la PC lleva el control del tiempo de adquisición y recibe las instrucciones
por parte del usuario.
En conclusión, la descripción del módulo de comunicación I2C en el PLD
corresponde a la configuración del esclavo. La especificación del maestro en la
PC se reanudará en una sección posterior.
El módulo de comunicación I2C se compone de tres subsistemas: startstop,
asmi2c y control (Fig. 4.5). Estos elementos trabajando en conjunto tienen como
tarea responder con ACK cuando el maestro invoque al esclavo a través de su
dirección, recibir las instrucciones por parte del maestro y decodificarlas, y por
último enviar la información requerida por el maestro.
La unidad startstop tiene la función de generar una señal busy que indique
Módulo de comunicación I2C 48
startstop asmi2c control
clock
sda
scl
habr
habc
rstc
rstr
sda_o
w
num_dato
clock
sda
scl
habr
habc
rstc
rstr
sda_o
w
num_dato
Módulo de comunicacion I2C
busy
Figura 4.5: Diagrama del módulo de comunicación I
2
C.
al resto del módulo cuando el maestro está ocupando el bus para transmitir.
El valor de esta señal es alto cuando el bus está libre y bajo cuando el bus
está ocupado.
El modo de operación de este módulo se describe de mejor manera por la
siguiente figura:
SDA
SCL
START
STOP
START
STOP
BUSY
BUSY
a) b)
Figura 4.6: Principio de funcionamiento del circuito startstop. a) Se detecta la con-
dición de START con el flanco de bajada de SDA, mientras SCL se encuentra en alto.
b) Se detecta la condición de STOP con el flanco de subida de SDA, mientras SCL se
encuentra en alto.
El siguiente elemento es el asmi2c, el cual está compuesto de una máquina de
estados y un contador. Con ayuda de las señales busy, SDA y SCL, la máquina de
estados se encarga de reconocer la dirección que envia el maestro e indentificar
Módulo de comunicación I2C 49
las operaciones que el maestro desea hacer con el esclavo.
Śı la operación es de escritura, la máquina de estados recibe la instrucción y
la traduce al resto del sistema. Son tres las instrucciones que se pueden recibir:
reestablecer, iniciar adquisción y copiar datos. Para cada operación se genera
una señal a, b o c, respectivamente. Estas señales entran al módulo de control.
En caso de tener una operación de lectura, la máquina de estados contro-
la el envio de datos por parte del esclavo. Para enviar los datos es necesario
convertirlos de paralelo a serie. Esta tarea se realiza con ayuda del contador y
un multiplexor externo al módulo. El contador trabaja con la señal de SCL y
sólo se habilita cuando la máquina de estados lo permite. El multiplexor tiene
conectado a su ĺınea de selección la salida del contador, lo que le permite poner
los datos en el bus de manera ordenada.
El algoritmo que sigue la máquina de estados es el siguiente (Fig. 4.7):
1. Recibir dirección y enviar ACK cuando la dirección corresponde a la del
esclavo. En caso contrario se espera el fin de la transmisión.
2. Śı la dirección fue correcta, identifica la tarea a realizar. Se tienen dos
opciones; leer datos o escritura de datos.
a) En caso de que la operación sea leer datos, se habilita el contador y el
módulo que se encarga de colocar los datos en el bus. La habilitación
permanece hasta que el envio de datos se completa.
b) En caso que la operación sea escrituria de datos, espera hasta recibir
la instrucción e identifica:
Reestablecer. Śı la operación es reestablecer genera la señal a.
Iniciar. Śı la operación es iniciar adquisición genera la señal b.
Copiar. Śı la operación es copiar datos genera la señal c.
3. Tras concluir alguno de los pasos anteriores se espera a que se indique el
fin de la tranmisión.
Finalmente, el módulo control traduce las señales a, b, c a los módulos canal
de neutrones y presión. Las señales que genera este módulo son; habr, habc, rstr
y rstc; estas señales representan el control del sistema y en ellas se define el
proceso de funcionamiento.
Cuando el SDAQ se enciende, los módulos que lo componen pueden no en-
contrarse en condiciones inciales. Para garantizar que el sistema parta de un
estado definido, el maestro envia la instricción reestablecer. Como resultado de
reestablecer el sistema; las señales habr y habc se encuentran en nivel bajo; y las
señales rstr y rstc estan en nivel alto. En otras palabras, en este punto el sistema
se encuentra detenido, sin ningún valor almacenado y esperando la instrucción
incio de adquisción.
Módulo de comunicación I2C 50
Figura 4.7: Diagrama de flujo de la máquina de estados del módulo asmi2c.
En el instante que el maestro manda la instrucción incio de adquisición, la
señal habc pasa a nivel alto y las señales rstr y rstc pasan a nivel bajo. En este
punto el sistema se encuentra adquiriendo datos.
Al finalizar el tiempo de adquisición, el maestro envia el comando copiar
datos. El sistema detiene la adquisición por un lapso corto de aproximadamente
10µs. En el transcurso de este periodo habc permanece en nivel bajo, mientras se
copian los datos a una memoria temporal —habr pasa a nivel alto. El proceso
anterior tiene como finalidad; retener los datos mientras estos se transmiten
y reanudar el proceso de adquisción lo más pronto posible —10µs— sin que el
envio interfiera en esto. Antes de reanudar el proceso de adquisición, es necesario
Si y el maes1ro quiere 
leerda1Ds 
Esperando fin 
de 1nmsmision 
Si y se racibio al 
comando deiBner Y 
reestsb/ecer adquisici6n 
Fin de transmision 
Sl yel maes1ro qulara 
anlliardatos 
Módulo de canal de neutrones 51
reestablecer el módulo canal de neutrones.
El algoritmo que describe el comportanmiento del módulo de control se ex-
presa a continuación (Fig. 4.8):
Figura 4.8: Diagrama de flujo de la
máquina de estados de control.
1. Se establecen condiciones inciales.
Sólo se puede regresar a este pun-
to mediante la instrucción reestablcer.
2. Esperar comando inicio de adqui-
sición.
3. Esperar finalice tiempo de adquisi-
ción y se envie la instrucción copia
de datos.
4. Se detiene la adquisición de datos
y se copian los datos.
5. Se reestablece el módulo canal de
neutrones y se regresa al punto 3.
La máquina de estados require de una señal de reloj externa para su funcio-
namiento, al igual que muchos otros circuitos de nuestro diseño. Sin embargo,
por el momento, no profundizaremos en este punto. Será en el apartado final
de este caṕıtulo donde hablaremos de las señales que sincronizan al sistema y el
módulo que es necesario para generarlas.
4.4. Módulo de canal de neutrones
El módulo canal de neutrones tiene la finalidad de contar los pulsos prove-
nientes del monitor NM64 y posteriormente almacernarlos en un registro (Fig.
4.9). El sistema se compone de dos contadores: contador A y contador B.
El contador A incrementa su cuenta cada vez que detecta un flanco de subida
en el pulso proveniente del detector. Al dato que se obtiene como resultado lo
llamamos cuentas sencillas.
El contador B registra todos aquellos pulsos que tienen una duración mayor
de 20µs. Se toma como referencia esta duración ya que este parámetro define la
duración que tienen la mayoŕıa de los pulsos producidos por el detector. Aquellos
Módulo de canal de neutrones 52
Figura 4.9: Diagrama del módulo canal de neutrones.
pulsos que superan el umbral son debidos a la multiplicidad del detector. Como
resultado de este procedimiento se obtienen cuentas múltiples.
La señal del contador proporcional no llega directamente al contador B.
Previamente se requiere de un módulo que discrimine entre los anchos de pulsos.
Este módulo lleva por nombre canalpm.
Señal del detector
Señal que se utiliza para 
medir el ancho de pulso
Pulsos múltiples
Figura 4.10: Principio de funcionamiento del módulo canalpm.
El canalpm se compone de un contador y un comparador. El contador se
habilita cada vez que se sensa el flanco de subida de un pulso y finaliza cuando
detecta su flanco de bajada (Fig. 4.10 secciones verde y amarilla). El contador
trabaja a una frecuencia de 1MHz con objeto de medir la duración del pulso.
Canal de Neutrones 
habr -til 
rstc -til 
habc 
rstr I 
clock ~ 
canal _J 
habr 
rstc 
habc 
rstr 
clock 
canal 
____,/ 
-
Canalpm. 
......__ 
DatoOO 
DatoOl 
Contador A. 
Contador B. 
~ 
- · 
Registro. 
L. 
.-• 
• 
u 
f= - ~ 
atoOO ~8 bitsl atoOl 8 bits 
ato02 8 bits 
ato03 8 bits "[) 
Módulo de presión 53
A la salida del contador se tiene un comparador; cuando el ancho de pulso de la
señal supera la referencia se genera un pulso (Fig. 4.10 sección roja). Este pulso
es el que entra al contador B para ser contabilizado.
En general, el módulo recurre a cuatro señales de control: habr, habc, rstr
yrstc. La señal habc habilita o deshabilita a los contadores; mientras que habr
activa el registro para copiar los datos acumulados en los contadores. La copia
se realiza mientras los contadores están detenidos.
La señal rstr y rstc sirven para reestablecer el registro y los contadores,
respectivamente. En el caso de rstr, sólo se activa al inicio de la adquisición. La
señal rstc se activa al inicio de la adquisición y cada vez que finaliza un tiempo
de adquisición.
4.5. Módulo de presión
El barómetro digital Meteolabor AG GB1 es un instrumento de precisión
cuyo principio de funcionamiento se basa en la deformación de una cápsula
aneroide —celda métalica de parades delgadas, sellada al alto vaćıo. Fabricada
de un material especial, dicha cápsula forma parte de un oscilador LC. Los
cambios en la presión atmosférica, producen deformación en la cápsula, lo que
a su vez mofica su inductancia y la frecuencia de operación del circuito. Los
cambios de frecuencia son registrados por un MCU, el cual asocia estos cambios
con el valor de presión correspondiente.
El equipo cuenta con dos ĺıneas de salida para transmitir los datos a otras
unidades: DCLK yDATA. La ĺınea DATA se encarga de transmitir los datos de
presión atmosférica en forma serie, codificados en BCD —binary code decimal—
a 4 digitos. La señal de reloj DCLK tiene una frecuencia aproximada de 3kHz.
Es enviada por el equipo para sincronizar el envio y recepción de datos (Fig.
4.11).
Inicio de la
 transmisión
Fin de la
 transmisión
DATA
DCLK
Figura 4.11: Señales correspondientes al sensor de presión.
Cuando el sensor no se encuentra transmitiendo datos, las ĺıneas DCLK
yDATA se encuentran en un nivel alto. Cada dos o tres segundos, el barómetro
envia un dato de presión nuevo. En el observatorio de rayos cósmicos de CU
sólo se recoge un dato de presión por cada periodo de adquisición.
Módulo de presión 54
Para el procesamiento de los datos de presión se cuenta con el módulo de
Presión. Se compone de tres circuitos básicos; registro, contador y máquina de
estados (Fig 4.12).
Figura 4.12: Esquema del Módulo de presión.
El primer paso es convertir los datos del sensor —DATA— transmitidos
de forma serie a paralelo mediante un registro de corrimiento. La operación se
hace con el fin de poder mantener los datos fijos durante un lapso de tiempo,
mientras se copian a la memoria temporal. La memoria se compone de dos
registros; registro X y registro Y.
El registro X sólo almacena datos del sensor de presión, cuando éste finaliza
la transmisión. El registro Y copia datos del registro X, sólo cuando el sistema de
control se lo indica. En conjunto, ambos registros se aseguran que se transmita
el último dato de presión completo que llegó al sistema de adquisición.
Para que los registros cumplan su función se necesitan dos máquinas de
estado que los controlen. Las máquinas de estado llevan por nombre; sinc y
permiso, respectivamente.
La primera máquina se encarga de generar una señal —sync— que nos indica
cuando el sensor se encuentra transmitiendo. El valor de esta señal es un nivel
alto śı el sensor no transmite datos y un nivel bajo en caso contrario.
Considerando que el conjunto de datos que envia el sensor tiene una duración
fija de aproximadamente 5ms, podemos generar la señal sync, midiendo este
Módulo de presión 55
intervalo de tiempo y detectando el inicio de la transmisión por parte del sensor.
Si a través de la maquina de estados sensamos la señal de reloj DCLK, se puede
detectar cuando ésta sufre el primer cambio de nivel alto a nivel bajo. En ese
instante, se debe habilitar un contador y permitirle alcanzar la cuenta necesaria
para medir el intervalo de tiempo —24000 cuentas trabajando a una frecuencia
de 5MHz. Una vez que el contador llega al valor establecido, la máquina de
estados detiene el contador, lo reestablece y vuelve a sensar la señal DCLK
para repetir el proceso.
El siguiente algoritmo (Fig. 4.13) describe el funcionamiento de la máquina
de estados sinc:
Figura 4.13: Diagrama de flujo de la
máquina de estados sinc.
1. Se establecen condiciones iniciales
—contador detenido y sync en ni-
vel bajo. Sólo se puede regresar a
este punto por medio de la instruc-
ción Reestablecer.
2. Esperar a que se indique el inicio
de la adquisición de datos.
3. Se evalua śı el sensor de presión
comenzó la transmisión de datos.
En caso contrario se espera hasta
que inicie una nueva transmisión.
4. Esperar a que se termine la trans-
misión de datos —se activa conta-
dor.
5. Se evalua si el sensor comenzó una
nueva transmisión de datos —con-
tador se reestablece y sync en nivel
alto. Si esto sucede se regresa al
punto anterior.
Una vez generada la señal sync, ésta entra a la siguiente máquina de estados
—permiso. El algoritmo que describe el funcionamiento de esta máquina de
estados es:
1. Evaluar si sync está en nivel alto.
2. Asegurar que no se esten pidiendo datos para transmitir.
3. Habilitar el registro A y regresar al primer punto.
Permiso se encarga de habilitar el registro A únicamente cuando se obtenga
un dato completo. Además, esta máquina de estados se asegura que los registros
Módulo de amplificación, discriminación y cambio de nivel 56
A y B no se habiliten al mismo tiempo, pues esto ocasionaŕıa que se transmita
un dato incorrecto. Al fenómeno detrás de este problema se le denomina me-
taestabilidad, se profundizará en las repercusiones que tuvo en nuestro diseño
en el siguiente caṕıtulo.
4.6. Módulo de amplificación, discriminación y
cambio de nivel
Con el fin de poder conectar el detector con el PLD, se necesita una etapa de
acoplamiento. Debido a que la señal proveniente del detector tiene una amplitud
de 130mV , se requiere una etapa de amplificación previa para poder alcanzar
los niveles que utiliza el PLD. Los PLD’s al ser de tecnoloǵıa CMOS, pueden
trabajar con señales de niveles de voltaje de 3,3V y 5V , entre otros.
-
+
-
+
-
+
Figura 4.14: Diagrama eléctrico de la eta-
pa de amplificación y discriminación para
el detector.
Para el desarrollo de la etapa de
amplificación, consideraremos ampli-
ficar la señal del detector a una am-
plitud de 5V . Utilizaremos un ampli-
ficador operacionalMC33178 en con-
figuración inversora. Se usaron dos
etapas de esta configuración para una
ganacia total de 39 y reducir los efec-
tos por distorsión.
A la salida de la etapa de amplificación se colocó un comparador LM311. La
señal de salida de la etapa amplificadora entra al comparador por la terminal
positiva. En la terminal negativa se conecta un voltaje de referencia que puede
ser variado con un potenciometro. El objetivo del comparador es funcionar como
discriminador y eliminar todas las interferencias que se encuentran en la señal
amplificada.
Por último, el comparador cuenta con una salida de colector abierto que
nos permite cambiar de nivel de tensión a 3,3V (Fig. 4.14). La explicación del
cambio de nivel está relacionada con el dispositivo PLD que se seleccionó. En
el siguiente caṕıtulo aclararemos este punto.
Entrada
Cambio de Nivel
Salida
MC14504BCP
VCC VDD
CD40106B
Figura 4.15: Diagrama de la etapa de aco-
plamiento para el canal de presión.
Para completar el diseño de la eta-
pa de acoplamiento, es necesario acon-
dicionar las señales del sensor de pre-
sión. Estas señales manejan niveles
lógicos TTL y son transmitidas por
un largo cable que las distorsiona. Por
estas razones utilizamos un circuito
cambiador de nivel y un buffer inversor schmitt trigger (Fig. 4.15).
Módulo software de adquisición 57
El circuito cambiador de nivel MC14504BCP se utiliza para cambiar de
niveles lógicos TTL a niveles CMOS —3,3V para nuestro caso.
El schmitt trigger nos sirve para reconstruir la señal y eliminar el ruido de
ésta.
4.7. Módulo software de adquisición
Finalmente, hablaremos del módulo software de adquisición de datos. Las
unidades que componen a dicho módulo son:
Interfaz de comunicación USB-I2C.
Descripción del maestro en la PC.
Herramientas para el depliegue de la información.
Módulo de corrección de tiempo.
Como principal objetivo de nuestro módulo se encuentra lograr la comunica-
ción entre la PC y el PLD por medio del protocolo I2C. No obstante, una PC no
cuenta con puerto de comunicación I2C. Por esta razón se necesita una interfaz
de comunicación. De preferencia, esta interfaz de comunicación debe contar con
la posibilidad de conexión via USB —Universal serie Bus. Actualmente USB
es el puerto de comunicaciones estándar y se prefiere su uso al de otro puerto
de computadora para garantizar compatibilidad en nuevos equipos de cómputo
que solo tienen puertos USB.
Resultado de la investigación y prediseño de la interfaz USB- I2C, en la que
se pretend́ıa utilizar un dispositivo del fabricante FTDI-chip, se encontró una
interfaz comercial con las mismas caracteŕısticas necesarias establecidas en el
diseño de la interfaz, por lo que se prefirió adquirir la interfaz comercial por
su relativo bajo costo y tamaño reducido. El módulo USB-I2C Devantech nos
proporciona una interfaz I2C completa para la PC a un bajo costo.
Una de las ventajas de trabajar con dicho módulo, radica en el uso del chip
FTDI-FT232R, componente principal de la interfaz. Su uso, en conjunto con el
controlador provisto por el fabricante, permite manejar el puerto USB mediante
instrucciones propias de un puerto RS232. Esto facilita enormemente el manejo
de la comunicación por parte del software, ya que se puede trabajar con un
puerto serie virtual, disfrutando de la conexión práctica del puerto USB y al
mismo tiempo, contar con la interfaz I2C necesaria.
El módulo USB-I2C está diseñado para trabajar sólo en modo maestro;
será el encargado de generar las condiones de START y STOP en la transmisión
de datos.
Módulo software de adquisición 58
De esta manera, nuestro esquema de comunicación queda de la siguiente
forma: en primer lugar, la PC debe comunicarse con el módulo USB-I2C, por
medio de un puerto serie virtual; al recibir las instrucciones de la computadora,
el módulo USB-I2C administrará las tareas en el bus I2C.
El programa en la computadora tiene la tarea de establecer la comunica-
ción serie asincrona entre la PC y la interfaz. Además debe proporcionar los
comandos necesarios para que la interfaz gestione correctamente el bus.
Los primeros pasos para establecer la comunicación serie son los siguientes:
1. Tener el controlador de la interfaz.
2. Contar con un lenguaje de programación que nos ofrezca bibliotecas que
faciliten el manejo de comunicaciones serie asincronas.
La plataforma sobre la que se desarrolla el programa es Software libre. El
sistema operativo con el que se trabaja es Ubuntu 10.04.
Trabajar con este sistema operativo facilita el manejo de la interfaz, ya que
dentro de los módulos del Kernel se encuentran los controladores para diversos
dispositivos I2C. Entre ellos nuestra interfaz.
Del segundo punto tendremos que decir que una de las ventajas de trabajar
con un sistema operativo libre reside en la libertad de manejar los puertos
de comunicación sin ninguna restricción, por lo que la elección del lenguaje
de programación se basó principalmente en la facilidad de la estructura del
lenguaje.
El lenguaje de programación elegido es Python.
Python es un lenguaje de programación de alto nivel que tiene una sintaxis
sencilla y legible, permite el desarrollo de programás compactos y se puede ajus-
tar a diferentes paradigmas de programación. Entre estos se encuentra: progra-
mación orientada a objetos, programación imperativa y programación funcional.
El interprete de Python se encuentra bajo una licencia que lo hace de uso
libre y distribuible incluso en aplicaciones comerciales.
Las razones por las que se prefirió programar en Python son:
Sintaxis legible. El software que se desarrolla en Python tiene una sintaxis
clara, de tal manera que cualquier programador puede comprender su
funcionamiento y reutilizar el código.
Código compacto. Python ayuda a reducir el tiempo de desarrollo, ya que
puede ejecutar varias instrucciones con poco código.
Módulo software de adquisición 59
Portabilidad. Los programás en Python pueden ejecutarse en diversas plata-
formás; tanto en Linux como en Windows.
Bateŕıas incluidas. Se refiere a la colección de bibliotecas que vienen inclui-
das en el lenguaje. Tales bibliotecas nos permiten realizar variedad de
funciones incluso en aplicaciones cient́ıficas.
Dentro del software que viene incluido en Ubuntu 10.04 se encuentra el
interprete de Python y las bibliotecas necesarias para el acceso al puerto serie.
La biblioteca pyserial encapsula el acceso al puerto serie y proporciona métodos
a Python para manejar el puerto serie en Windows y Linux.
Una vez que se cuenta con las herramientas para establecer la comunicación
serie, el primer paso en nuestro programa es abrir el puerto serie y configurarlo
de acuerdo a las especificaciones que nos brinda el fabricante de la interfaz;
velocidad de transmisión, número de bits de stop, bit de paridad y tamaño de
palabra.
La información que requiere la interfaz USB-I2C para administrar el bus
I2C se compone de una cadena de 3 bytes. El programa envia a través del
puerto serie, 3 bytes con la información siguiente:
Comando de la interfaz USB-I2C —0H53 o 0H54. Por medio de este co-
mando se le informa a la interfaz si se va a leer-escribir un solo byte o un
conjunto de ellos.
Dirección del esclavo +R/W. Los primeros siete bits de la instrucción con-
tienen la dirección del esclavo —0H16. El bit menos significativo informa
a la interfaz si la operación que se va a realizar es de escritura o lectura.
Bytes de dato Si la operación es de escritura, este byte contiene la informa-
ción que va a enviar el maestro al esclavo. Śı la operación es de lectura, el
byte indica cuantos datos va a esperar el maestro del esclavo.
El software de adquisición puede enviar tres instrucciones; para la instrucción
reestablecer el byte 0H48, para iniciar adquisición el byte 0H49 y para copiar
dato el byte 0H4A.
El dato recibido se alamacena junto con la referencia de la fecha y hora en la
que fue recogido. Estos datos se guardan en un archivo que lleva por nombre la
fecha del d́ıa. Al finalizar el d́ıa el software de adquisición debe cerrar el archivo
y abrir uno nuevo con la fecha correspondiente.
EL algoritmo que describe el módulo software de adquisición se enlista a
continuación:
1. Abrir y configurar el puerto serie.
2. Preguntar la fecha y abrir un archivo donde se almacenen los datos.
Módulo software de adquisición 60
3. Enviar instrucción reestablecer.
4. Enviar instrucción iniciar adquisición.
5. Esperar a que se cumpla tiempo de adquisición.
6. Enviar instrucción copiar datos.
7. Solicitar datos al esclavo.
8. Registrar la hora.
9. Almacenar datos con fecha y hora.
10. Śı finalizó el d́ıa abrir un nuevo archivo. Regresar al paso 5.
Śı el esclavo no responde a las intrucciones enviadas por el maestro, se vuelve
a intentar reestablecer la comunicación con él. Si no se logra, el programa se
cierra y le envia un mensaje de error al usuario que contiene la causa que pro-
vocó la interrupción de la adquisición. Para lograr este diagnóstico, el programa
debe leer una byte que envia la intefaz cada vez que tiene respuesta por parte
de un esclavo.
En caso de que se deseen hacer pruebas con el sistema, se cuenta con otro
programa que facilita la fijación del tiempo de adquisición y espera que el usuario
dé las instrucciones para comunicarse con el esclavo.
La información se despliega impresa en pantalla en todo instante. Además se
puede solicitar al programa graficar los datos almacenados contra tiempo. Para
generar las gráficas, el programa utiliza la biblioteca matplotlib de Python.
El programa ejecuta las siguientes instrucciones:
1. Preguntar al usuario que archivo desea graficar.
2. Abrir el archivo.
3. Preguntar al usuarios los datos que quiere se muestren.
4. Procesar la información del archivo para obtener la información de fecha,
hora y datos.
5. Mostrar la gráfica.
Por último, para llevar el tiempo de adquisición el programa hace uso del
reloj interno de la computadora. El ajuste de este reloj se realiza mediante
ntp. Éste es un protocolo que permite la sincronización de relojes por medio
de internet. Una vez a la semana ntp se encarga de ejecutar el reloj de la
computadora conectándose al servidor: ntp.astrosmo.unam.mx.
Interconexión del sistema 61
4.8. Interconexión del sistema
En esta sección se mostrarán los detalles finales que se consideraron para la
interconexión del sistema.
El primer punto concierne al envio de los datos. Para poder conectar el
esclavo al bus, es necesario que éste tenga una salida de open drain. Utilizamos
un buffer con salida open drain para hacer esto.
Para enviar los datos a través de la ĺınea SDA es imprescindible convertirlos
de forma paralela a serie. Como se mencionó en secciones anteriores esto se logra
mediante un sistema multiplexor-contador. Es importante precisar: la salida
del multiplexor debe conectarse al buffer, el buffer debe conectarse a la ĺınea
SDA y el multiplexor debe controlarse de tal forma que sólo opere durante el
envio. Este control lo ejerce el módulo de comunicación I2C, el cual detecta la
solicitud del maestro de leer datos del esclavo y genera una señal w que habilita
al multiplexor. Al mismo tiempo se activa un contador —contE— que opera
con la señal SCL.
La salida de contE se conecta a las ĺıneas de selección del multiplexor —
numdato. De este modo se logran enviar al maestro los datos que se encuentran
a la entrada del multiplexor. En la siguiente figura se muestra la disposición de
los módulos para el envio de datos.
Multiplexor.
Contador
Módulo I2C
Líneas de Selección
SCL
SDA
W
Contadores Proporcionales.
Sensor de Presion.
Figura 4.16: Conexión del sistema de adquisición para el envio de datos.
Cuando el módulo de comunicación I2C registra, mediante la salida del
contador, que se alcanzó el barrido total de los datos, deshabilita el multiplexor
y reestablece el contador.
Interconexión del sistema 62
La parte final de la interconexión del sistema corresponde la sincronización
de sus elementos. La sincronización es el proceso por el cual se establece el
orden en que se ejecutan las tareas del sistema. Para establecer este orden las
máquinas de estado utilizan una señal de reloj que les permite trabajar de forma
secuenciada, sin que un proceso interfiera con otro.
El módulo que genera las señales de reloj opera con una señal de 40MHz,
que se divide para obtener señales de 5MHz, 1MHz y 0,5MHz —Fig. 4.17. A
continuación se enlista la función de cada una de estas señales:
Oscilador Divisor
  
Divisor
  
Divisor
  
Retardo
  
Retardo
  
Salida A
Módulo canal PM
Salida B
Mòdulo de control
Salida C
Módulo de presión
Figura 4.17: Circuito divisor de frecuencia.
La señal de 1MHz sirve para medir el ancho de pulso de las señales pro-
venientes del detector.
La señal de 5MHz se ocupa en el módulo sinc para sincronizar la recepción
de los datos del sensor de presión. Con esta señal trabajan las máquinas
de estado y se mide el intervalo de 5ms —Sección 4.5.
El módulo de control requiere una señal de reloj de 0,5MHz para que los
demás módulos puedan detectar las señales que genera, es decir, tengan
la duración necesaria.
Finalmente, las señales de reloj se adaptan para el resto del sistema de
adquisición por medio de circuitos de retardo. La utilidad de dichos circuitos se
explicará en el siguiente caṕıtulo.
En resumen, el diseño del nuevo adquisidor de datos comprende; la descrip-
ción en VHDL de todos los módulos expuestos, su interconexión y posterior
śıntesis en el PDL; el programa de comunicación con la PC e interfaz del usua-
rio, escrito en lenguaje Python, junto con las herramientas de diagnóstico y
despliegue de información.
El nuevo sistema —Fig. 4.18— cubre las necesidades del Observatorio de
Rayos Cósmicos de Ciudad Universitaria y aporta nuevas funciones que facilitan
su operación y brindan nueva información sobre el monitor NM64. Debido a las
herramientas con las que se elaboró el diseño, el nuevo adquisidor de datos
puede reproducirse e incluso modificarse, si aśı se desea. Además se cuenta con
Interconexión del sistema 63
la documentación y diagramas eléctricos necesarios para dar mantenimiento y
aśı garantizar su funcionamiento por varios años.
Figura 4.18: Fotograf́ıa del nuevo sistema de adquisición de datos.
Grupo de Rayos Cósmicos de la Ciudad de México en colaboración con la Universidad
de Nagoya.
5
Pruebas, resultados y conclusiones
En este caṕıtulo nos enfocaremos en exponer la evaluación del prototipo final
del proyecto. Para esto nos apoyaremos en los resultados obtenidos a través de
nuestra experimentación con el nuevo sistema de adquisición de datos.
Antes de realizar pruebas con el sistema completo, se hicieron pruebas de
forma individual a cada uno de los módulos para encontrar posibles fallas en
su funcionamiento. El primer paso consistió en comprobar la operación de los
módulos por medio de simulación. El HDL que utilizamos para describir los
módulos fue VHDL—Very High Speed Integrated Circuit HDL— y se capturó el
diseño mediante la plataforma de desarrollo Quartus II 9.1 de Altera. De igual
modo, se utilizaron las herramientas de simulación, compilación y configuración
de dispositivos que ofrece este software.
Después de que se obtuvieron resultados aceptables en la simulación, se
evaluó el desempeño sintetizando los módulos con un PLD. Tras evaluar la
capacidad necesaria para sintetizar cada módulo, se eligió un PLD con suficientes
bloques lógicos para la realizar las pruebas.
El primer PLD que se ocupó fue un CPLD —PLD con capacidad de śınte-
sis menor a la de un FPGA— de Altera modelo EPM240T100C5. Con este
dispositivo se realizaron pruebas de los módulos canales de neutrones y canal
de presión. Posteriormente se utilizó un CPLD EPM570T100C5 de mayor ca-
pacidad. El objetivo fue probar en conjunto la parte de control del módulo de
comunicación I2C y el módulo canal de neutrones. Asimismo se probó el módulo
de presión con la parte de control.
Luego de verificar los módulos en el CPLD y antes de probar la comunicación
con la PC, se examinó la respuesta de los tres módulos trabajando en grupo.
65
Depuración del sistema 66
Como los dispositivos que se emplearon en un principio no cuentan con una ca-
pacidad de śıntesis grande, para realizar las siguientes pruebas se recurrió a una
tarjeta de desarrollo de Altera modelo DE1; proporcionada por el departamen-
to de Ingenieŕıa Electrónica de la Facultad de Ingenieŕıa de la UNAM. Dicha
tarjeta cuenta con FPGA modelo EP2C20F484 —de capacidad de śıntesis 40
veces mayor a la de un CPLD— y diversos periféricos que facilitan el diseño
de muchas aplicaciones. Tiempo después se adquirió por parte del Instituto de
Geof́ısica una tarjeta de desarrollo DE2. Esta tarjeta tiene un FPGA de mayor
capacidad y con ella se realizaron todas las pruebas restantes al sistema.
Como parte final, desarrollamos el software de adquisición y al mismo tiempo
implementamos la comunicación entre el FPGA y la computadora personal.
Se comprobó el funcionamiento de todo el sistema haciendo pruebas durante
varias semanas. El resultado esperado de las pruebas es la adquisición de datos
de forma continua y automática. Además, se aspira a tener un error absoluto
distribuido normalmente, con media cero y desviación estándar diez; tomando
como referencia los datos del sistema de adquisición de datos actual.
5.1. Depuración del sistema
A continuación mencionaremos algunos problemas que se presentaron du-
rante el desarrollo de las pruebas e indicaremos su solución.
En la figura anterior se ilustra el proceso de habilitación, copia y reesta-
blecimiento que lleva el módulo de control sobre el módulo canal de neutrones;
proceso que se explicó en el caṕıtulo cuatro.
Problema 1
Señal de 
Habilitación.
Señal de
Copiar datos
Señal de
Reestablecer 
Contador
Memoria
Figura 5.1: Señales que controlan la adquisición de datos.
En las regiones encerradas se observa que las señales de habilitación, copia y
reestablecer cambian de valor en el mismo instante. Esto implica un problema
ya que mientras se detiene el contador, el registro copia datos y mientras los
datos son almacenados, el contador es reestablecido; en ambos casos los datos
Depuración del sistema 67
estan cambiando sin que se respete un tiempo para que se estabilicen.
Si los tiempos de estabilidad no se respetan, los datos registrados pueden ser
incorrectos. A este fenómeno se le conoce como Metaestabilidad. Para resolver
esta situación se agregaron pequeños periodos de tiempo entra cada cambio
de señal, para dar oportunidad a que los datos se estabilicen. Este método se
aplicó en todas las demás máquinas de estado que generan señales de forma
secuencial.
Problema 2
Figura 5.2: Señales del sensor de presión
antes de la etapa de acondicionamiento.
En la imagen se pueden observar
las señales provenientes del sensor de
presión. Estas señales deben viajar
por un cable de aproximadamente 8m
de longitud y en consecuencia, se en-
cuentran contamindas con ruido y dis-
torsionadas por la ĺınea de transmi-
sión.
Si deseamos procesar estas señales,
primero debemos restaurarlas, ya que
disminuir la longitud del cable no es
una opción.
Fue entonces necesario añadir la etapa de acoplamiento que se mencionó en
el caṕıtulo cuatro. El Schmitt Trigger se encarga de eliminar el ruido de las
señales además de conformarlas.
Por otro lado, originalmente se hacia el cambio de nivel de 5V a 3,3V median-
te un buffer colector abierto; sin embargo, este circuito deformaba en un mayor
grado las señales. Por esta razón reemplazamos este circuito con un cambiador
de nivel MC14504BCP.
Problema 3
Cuando se comenzo a trabajar con la tarjeta DE2 se tuvieron que realizar
algunos cambios al diseño. El FPGA que tiene la tarjeta, además de ser de mayor
capacidad, tiene un tiempo de respuesta menor. Esto lo hace más suceptible al
ruido o perturbaciones que se encuentren en las señales que entran al dispositivo.
Como resultado de esta problemática se añadió a las ĺıneas del bus I2C un
circuito Schmitt Trigger para eliminar el ruido de las señales del bus.
Depuración del sistema 68
Problema 4
Otro módulo que requirió modificaciones es el módulo que genera las señales
de reloj. En un principio las señales de reloj se generaban a partir de la división
de frecuencia de una señal de 27MHz. El inconveniente que este método pre-
senta es que todas las transiciones de nivel en las señales se realizan de manera
simultánea, como se puede observar en la parte superior de la siguiente figura.
Figura 5.3: Señales de reloj que alimentan el sistema de adquisición de datos. En la
parte superior se muestran las señales obtenidas por medio de un divisor de frecuencia.
En la parte inferior se agregaron retardos para evitar que las señales cambien al mismo
tiempo.
El problema que origina operar el sistema con estas señales es la metaesta-
bilidad. La metaestabilidad se encuentra en la evaluación que realiza el circuito
cuando sus entradas no son estables, cuando el circuito interpreta de manera
incorrecta el valor de sus entradas. Esto se puede dar cuando dos circuitos se
encuentran trabajando a diferentes frecuencias y transfieren información entre
ellos. Si las señales que envia el circuito A al circuito B cambian de nivel al
mismo tiempo que cambia la señal de reloj del circuito B, se presenta la me-
taestabilidad.
La solución de este problema es agregar retardos a las señales de reloj que
se generan. Esto evita que las transiciones se efectuen en el mismo instante.
El circuito que genera las señales de reloj, expuesto en el caṕıtulo anterior,
cuenta con circuitos de retardo que resuelven el problema de metaestabilidad.
Sus señales de salida se pueden observar en la parte inferior de la imagen ante-
rior.
Depuración del sistema 69
Problema 5
Cuando transferimos una señal entre dos circuitos que tienen señales de
reloj independientes —no se generan a partir de la misma señal— es necesario
sincronizar la señal que se transmite con la señal de reloj del receptor para poder
utilizarla. Para sincronizar la señal se utiliza una cadena de registros conocida
como sincronizador. Estos registros retardan la señal para que ésta se resuelva
a un valor conocido antes de ser utilizada.
En la siguiente imagen se observan el resultado de utilizar un sincronizador :
Figura 5.4: Resultado de pasar dos señales a través de una cadena de retardos. Se
observa que en ambos casos la señal se sincroniza con la nueva señal de reloj.
En nuestro caso fue necesario utilizar este circuito en el módulo de presión
para poder recibir las señales provenientes del sensor. Previo al uso de este
circuito, los datos de presión adquiridos eran en ocasiones incorrectos.
Problema 6
Para desarrollar el software de adquisición el primer lenguaje de programa-
ción que se utilizó fue JAVA, por ser capaz de ejecutarse en cualquier plataforma
que cuente con su máquina virtual. Sin embargo, JAVA nos representó un pro-
blema, debido al extinto soporte que ofrece Sun Microsystem a las API’s para
el manejo del puerto serie.
En JAVA se intentó desarrollar un software que enviara y recibiera informa-
ción por el puerto serie. A pesar de esto, nunca se alcanzó una comunicación
correcta.
En vista de tal situación se optó por buscar un lenguaje de programación
que nos ofreciera soporte para nuestra aplicación y que su sintaxis fuera más
sencilla que la de JAVA.
En respuesta a esto se utilizó como lenguaje de programación Python.
Como ejemplo ponemos dos fragmentos de código que realizan la misma
función; uno escrito en JAVA y el otro en Python. En ambos casos se abre un
Depuración del sistema 70
puerto serie y se configura. Se puede observar que el código hecho en Python es
más sencillo y compacto que el de JAVA. Esto nos ayudó a reducir el tiempo de
desarrollo del programa.
listapuertos=CommPortIdentifier.gerPortIdentifiers();
while listapuertos.hasMoreElements() do
puertoId = (CommPortIdentifier) listapuertos.nextElement();
if puertoId.getPortType() == CommPortIdentifier.PORT SERIAL
then
if puertId.getName().equals(usbi2c) then
System.out.println(Çonexión lista:-usbi2c);
encuentra=true;
puertoserial=(SerialPort) puertoId.open(”prueba”,2000);
salida=puertoserial.getOutputStream();
puertoserial.setSerialPortParams(19200,DATABITS
8,STOPBITS 2,PARITY NONE);
end
end
end
if !encuentra then
System.out.println(”No se encontró interfaz USB-I2C”);
end
Código en JAVA.
try;
ser=serial.Serial(’/dev/ttyUSB0’,19200,timeout=1,stopbits=2);
except;
print ’No se puede encontrar la interfaz USB-I2C’;
sys.exit(-1)
Código en Python.
Problema 7
Al realizar las pruebas finales con todo el sistema en funcionamiento, se
detectaron errores en los datos de hora y fecha. El problema consist́ıa en un
retraso de un segundo cada 100 datos almacenados. El retraso se deb́ıa a la forma
en que el software de adquisición llevaba el tiempo de adquisición por medio de la
instrucción time.sleep(). Esta instrucción detiene la ejecución del programa por
un periodo determinado y la reanuda al terminar este periodo —para nuestras
pruebas 60s. El sistema operativo se encarga de gestionar los procesos que se
ejecutan en una PC y les asigna una prioridad. Ya que time.sleep() no es una
proceso prioritario, el tiempo que permanece detenido el programa no es siempre
el mismo.
El primer paso para solucionar el problema fue evitar el uso de la instrucción
Depuración del sistema 71
ya mencionada. En lugar de este método se utilizó time.time(). La instrucción
time.time() nos devuelve el tiempo de la PC con una alta precisión. Por medio
de un ciclo se puede determinar si ya transcurrió el tiempo de adquisición. Este
proceso ayuda a mejorar la precisión con que se miden los intervalos de tiempo,
sin embargo no resuelve del todo el problema del retraso. Para este caso, el
retraso se presenta cada 1000 datos.
El segundo paso es detectar la ocurrencia del retraso en los datos de tiempo.
Una vez detectado, se debe ajustar el tiempo de adquisición para compensar el
retraso. De esta forma se logra eliminar la acumulación del retraso.
En la imagen se muestra una serie de datos y la ocurrencia de un retraso.
También se puede observar que, en el siguiente periodo de adquisición, se logra
compensar este retraso.
Figura 5.5: En el recuadro rojo se muestra un conjunto de datos que tienen un atraso
de 1s. En la parte izquierda de la imagen se pueden ver los datos de fecha y hora.
También se observa que al ocurrir el retraso, en el siguiente periodo éste se compensa.
Resultados 72
5.2. Resultados
El prototipo final del sistema se constituye de las siguientes unidades:
Seis módulos canal de neutrones para cada uno de los contadores propor-
cionales del monitor NM64: A1, A2, B1, B2, C1 y C2.
Un módulo canal de presión.
Tres módulos adicionales que llevan el conteo de la suma lógica entre cada
pareja de contadores: A1 +A2, B1 +B2 y C1 + C2.
Además de los módulos necesarios para la comunicación con la PC, sin-
cronización del sistema y envio de datos.
Estas unidades se sintetizaron en el FPGA y tan sólo ocupan el 25% de la
capacidad de éste.
Se realizaron pruebas de todo el sistema funcionando durante varios d́ıas para
garantizar que el sistema pod́ıa operar de forma ininterrumpida y automática. El
principal problema que se encontró en este punto fue con respecto a la sincrońıa
en la recepción y envio de datos. Para solucionar ésto, tuvimos que ajustar el
diseño del módulo de comunicación I2C hasta llegar al diseño que se mostró en
el caṕıtulo anterior. Lograr superar este paso requirió de aproximadamente tres
meses.
Una vez que conseguimos que el sistema funcionará por varios d́ıas, se
pusó como objetivo realizar una prueba de dos semanas y comparar los datos
entre ambos sistemas de adquisición de datos; el adquisidor actual y el nuevo sis-
tema de adquisición. Para efectuar correctamente esta prueba se sincronizaron
ambos sistemas.
21/04 22/04 23/04 24/04 25/04 26/04 27/04 28/04 29/04 30/04 01/05 02/05
12500
13000
13500
14000
14500
15000
15500
R
a
zo
n
 d
e
 c
o
n
te
o
Intensidad de RC adquisidor nuevo
21/04 22/04 23/04 24/04 25/04 26/04 27/04 28/04 29/04 30/04 01/05 02/05
Fecha
13000
13500
14000
14500
15000
15500
R
a
zo
n
 d
e
 c
o
n
te
o
Intensidad de RC adquisidor actual
Figura 5.6: Intensidad de RC registrada por ambos sistemas de adquisición.
Resultados 73
En la figura 5.6 se muestran los datos registrados por ambos sistemas de
adquisición en el periodo del 4 de abril al 2 de mayo de 2011. Para estimar la
intensidad de la radiación cósmica se sumaron las cuentas por minuto de todos
los contadores proporcionales. Posteriormente se deben corregir los datos por
presión atmosférica. En nuestro caso este ajuste no es necesario ya que ambos
sistemas se encuentran sometidos a la mismas condiciones climáticas.
A simple vista podemos observar que las dos gráficas siguen la misma ten-
dencia. Sin embargo, para obtener una comparación más acertada, obtendremos
el error absoluto —VSDAQnuevo−VSDAQactual— entre ambas mediciones. Como
se tiene una gran cantidad de datos y todos distintos, consideraremos para nues-
tro anaĺısis la distribución de probabilidad del error absoluto. Esta distribución
se espera sea del tipo normal con µ igual a cero —error absoluto mı́nimo— y σ
igual a diez. La razón de que se espere una desviación estándar de diez se debe
a que los datos del sistema actual estan escalados entre diez.
A continuación se muestran las distribuciones de probabilidad de error de
cada uno de los seis detectores del NM64. La ĺınea roja representa la distribución
normal teórica. Ésta se genera con los valores de media y desviación estándar
obtenidos para cada canal. Las barras verdes representan la distribución real,
para cada uno de los canales.
Se puede observar en las figuras, que las distribuciones de los canales A1,
B2 y C1 corresponden a lo esperado, con lo que se infiere que no existe ningún
problema con los datos.
Con respecto al canal C2, se observa un comportamiento del tipo normal ;
sin embargo su media está desplazada hacia la derecha. Esto puede solucionarse
ajustando el nivel de discriminación en la etapa de acondicionamiento del canal
en cuestión, en otras palabras, calibrarlo.
Sobresalen de entre las gráficas las de los canales A2 y B1, las cuales no tienen
una distribución normal y sus parámetros µ y σ son de valores muy diferentes
a los esperados. Para determinar el origen de este problema realizaremos otro
tipo de anaĺısis estad́ıstico.
Resultados 74
−100 −50 0 50 100
Error absoluto
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
d
e
e
rr
o
r
µ = 0.0
σ = 10.0
Canal A1
(a) Distribución canal A1
−600 −400 −200 0 200 400 600
Error absoluto
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
d
e
e
rr
o
r
µ = 13.0
σ = 109.0
Canal A2
(b) Distribución canal A2
−400 −200 0 200 400 600 800
Error absoluto
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
0.0035
0.0040
0.0045
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
d
e
e
rr
o
r
µ = 178.0
σ = 148.0
Canal B1
(c) Distribución canal B1
Resultados 75
−100 −50 0 50 100
Error absoluto
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
d
e
e
rr
o
r
µ = 0.0
σ = 10.0
Canal B2
(a) Distribución canal B2
−100 −50 0 50 100
Error absoluto
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
d
e
e
rr
o
r
µ = 0.0
σ = 11.0
Canal C1
(b) Distribución canal C1
−60 −40 −20 0 20 40 60 80 100
Error absoluto
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
d
e
e
rr
o
r
µ = 17.0
σ = 11.0
Canal C2
(c) Distribución canal B2
Resultados 76
La distribución de Poisson es la distribución de probabilidad que expresa la
probabilidad de ocurrencia de un cierto número de eventos en un intervalo de
tiempo. En un sistema de conteo de part́ıculas, se espera que la distribución
de probabilidad de las cuentas se ajuste a una poissoniana. Tomando esto en
cuenta, comprobaremos si los canales A2 y B1 de ambos sistemas se comportan
de dicha forma.
En las siguientes gráficas se puede ver que existe una desviación en la distri-
bución de las cuentas del equipo actual con respecto a la distribución de Poisson
teórica. La ĺınea verde representa la distribución teórica, mientras que las ba-
rras moradas, la distribución real de las cuentas. Entre los factores que pueden
ocasionar que se alteren las cuentas del sistema, se encuentran: ruido eléctrico,
humedad en el ambiente o desgaste en las tarjetas de circuito impreso, entre
otras.
Por otro lado, las distribuciones del nuevo adquisidor se ajustan de manera
satisfactoria al modelo poissoniano.
1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Cuentas por minuto
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
µ = 2377.0
σ = 123.0
Distribucion canal A2 adquisidor actual
Resultados 77
1600 1800 2000 2200 2400 2600
Cuentas por minuto
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
µ = 2270.0
σ = 171.0
Distribucion canal B1 adquisidor actual
2200 2300 2400 2500 2600 2700
Cuentas por minuto
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
µ = 2462.0
σ = 60.0
Distribucion canal A2 adquisidor nuevo
2200 2300 2400 2500 2600 2700
Cuentas por minuto
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
µ = 2450.0
σ = 62.0
Distribucion canal B1 adquisidor nuevo
Conclusiones 78
En conclusión, se infiere que el problema no se encuentra en los detectores,
ni en el sistema nuevo, sino que proviene del sistema de adquisición de datos
actual. Con esto se comprueba que es necesario el cambio hacia el nuevo sistema
de adquisición de datos.
Cabe señalar que los datos de las cuentas individuales no son publicados por
el observatorio; estos datos son útiles para estudios que se realizan internamente
en la estación. Los datos publicados son la suma total de las tres secciones del
monitor: A1+A2, B1+B2 y C1+C2. Este proceso es independiente del proceso
que lleva las cuentas individuales.
5.3. Conclusiones
Tras haber realizado todas las pruebas y analizado los datos arrojados por el
sistema; concluimos que los resultados obtenidos son satisfactorios. Retomando
los objetivos que planteamos al principio de esta tesis, podemos decir que se
cumplió el objetivo principal de diseñar e implementar un sistema de adquisi-
ción de datos que cubra las necesidades del observatorio. En otras palabras, el
nuevo sistema de adquisición de datos es un sistema orientado a la detección de
radiación cósmica y en espećıfico para el monitor NM64. El sistema se compone
de seis canales para cada uno de los contadores proporcionales, tres canales para
cada sección del monitor y un canal para el sensor MeteolaborAG.
Además, al basar nuestro diseño en tecnoloǵıa moderna, se consiguieron
superar limitaciones técnicas que afectan al sistema actual. Dentro de estas me-
joras, el ajuste del tiempo de adquisición por medio del servidor ntp, contribuye
en gran manera a la operación automática del sistema y mejora la precisión con
la que se obtienen los datos.
De igual forma, el realizar el ajuste de tiempo mediante software contribuyó a
incorporar el uso de la computadora en otras tareas, tales como: el control de
adquisición, el almacenamiento de datos, el despliegue de información y el esta-
blecimiento de herramientas de diagnóstico. Todo esto se logra sin la necesidad
de software comercial o tarjetas electrónicas especializadas y sin demandar una
gran cantidad de recursos a la PC.
Por otra parte, se añadió al equipo un nuevo módulo de adquisición que
discrimina entre dos tipos de pulsos. La información que arroja este nuevo canal
permitirá caracterizar la multiplicidad del detector y de esta forma estimar con
mayor presición la intensidad de la radiación.
Finalmente, al haber utilizado un dispositivo lógico programable en el diseño,
se concluye que es factible añadir nuevas funciones al sistema de adquicisión de
datos cuando este lo requiera. En un futuro, el Observatorio pretende incorporar
mayor número de detectores y posiblemente nuevas funciones que requieran
agregar más canales de adquisición. El FPGA que utilizó en el sistema, tiene
Conclusiones 79
capacidad de albergar hasta cincuenta canales de adquisición.
A través de las pruebas que se realizaron, hemos podido constantar que el sis-
tema puede operar de forma automática e ininterrumpida por un largo periodo
de tiempo. Además, como resultado de este trabajo de investigación se ha gene-
rado la documentación necesaria para el mantenimiento y operación del sistema.
Ambos factores, nos indican que el sistema está listo para su construcción.
Como parte final, mencionaremos algunas mejoras que se pueden hacer al
sistema y temas de investigación que podŕıan desprenderse a partir de esta.
5.3.1. ¿Qué falta por hacer?
Agregar canales de muones. El nuevo adquisidor de datos captura datos
del monitor de neutrones NM64; sin embargo el Observatorio de Rayos
Cosmicos de la ciudad de México ubicado en Ciudad Universitaria cuenta
con un telescopio de Muones. El nuevo equipo no cubre por el momento
la adquisicion de datos de este telescopio, no obstante que la capacidad
del sistema soporta la incorporación de estos detectores.
Agregar sensor de temperatura. Como se mencionó en la sección 1.2, los
rayos cósmicos se ven afectados por ciertas manifestaciones atmosféricas;
entre ellas la presión y la temperatura. Añadir un sensor de temperatura
al sistema de adquisición de datos nos brindaŕıa mayor información sobre
dichos efectos.
Software amigable. Aunque el software de adquisición no es complicado para
su operación, ya que sólo necesita de algunas instrucciones —comandos—,
se entiende por software amigable aquel cuya interacción con el usuario es
de uso faćıl, recurriendo a: gráficos intuitivos, gúıas, punteros, etc.
Tiempo de adquisición automático. El tiempo de captura de datos del nue-
vo sistema es de 60s y puede ser modificado según las necesidades del
operador. Contar con un ajuste de tiempo automático es útil cuando se
presenta un evento solar y se incrementa el número de cuentas del mo-
nitor. Si el sistema de adquisición logra detectar este incremento, puede
disminuir el tiempo de adquisición para recoger un mayor número de datos
y tener un mejor seguimiento del fenómeno.
Sensar fuentes de voltaje. La experiencia en el mantenimiento del equipo
trabajando en el Observatorio de Radiación Cósmica en Ciudad Univer-
sitaria indica que la mayoŕıa de las fallas provienen de las fuentes de alto
voltaje que suministran enerǵıa a los contadores proporcionales. Sensar
las fuentes ayudaŕıa a prevenir posibles fallas.
Información sobre la enerǵıa que deposita cada particula. Actualmente
no se mide la cantidad de energia que cada part́ıcula deposita en el moni-
tor. El diseño e implemnetacion de un super módulo encargado de registrar
Conclusiones 80
esta información y procesarla, impulsaŕıa nuevos estudios, además de re-
forzar la investigacion que actualmente de desarrolla en el Observatorio.
Información sobre la trayectoria de arribo de cada particula. Como se
vio en secciones anteriores, el monitor NM64 tiene algunas limitaciones,
una de estas es que no proporciona de manera inherente la trayectoria de
las part́ıculas. Sin embargo, se puede diseñar un super módulo que capte
las señales de cada unos de los contadores proporcionales y por medio de
alguna descripción lógica identifique cada part́ıcula y la rastree durante
su paso en el monitor. Esta información es sumamente importante para el
estudio de la radiación cósmica.
Apéndice A
Hojas de especificaciones
81
Altera Corporation  1–1
February 2008
1. Introduction
Introduction Following the immensely successful first-generation Cyclone® device 
family, Altera® Cyclone II FPGAs extend the low-cost FPGA density 
range to 68,416 logic elements (LEs) and provide up to 622 usable I/O 
pins and up to 1.1 Mbits of embedded memory. Cyclone II FPGAs are 
manufactured on 300-mm wafers using TSMC's 90-nm low-k dielectric 
process to ensure rapid availability and low cost. By minimizing silicon 
area, Cyclone II devices can support complex digital systems on a single 
chip at a cost that rivals that of ASICs. Unlike other FPGA vendors who 
compromise power consumption and performance for low-cost, Altera’s 
latest generation of low-cost FPGAs—Cyclone II FPGAs, offer 60% higher 
performance and half the power consumption of competing 90-nm 
FPGAs. The low cost and optimized feature set of Cyclone II FPGAs make 
them ideal solutions for a wide array of automotive, consumer, 
communications, video processing, test and measurement, and other 
end-market solutions. Reference designs, system diagrams, and IP, found 
at www.altera.com, are available to help you rapidly develop complete 
end-market solutions using Cyclone II FPGAs.
Low-Cost Embedded Processing Solutions
Cyclone II devices support the Nios II embedded processor which allows 
you to implement custom-fit embedded processing solutions.  Cyclone II 
devices can also expand the peripheral set, memory, I/O, or performance 
of embedded processors.  Single or multiple Nios II embedded processors 
can be designed into a Cyclone II device to provide additional 
co-processing power or even replace existing embedded processors in 
your system.  Using Cyclone II and Nios II together allow for low-cost, 
high-performance embedded processing solutions, which allow you to 
extend your product's life cycle and improve time to market over 
standard product solutions.
Low-Cost DSP Solutions
Use Cyclone II FPGAs alone or as DSP co-processors to improve 
price-to-performance ratios for digital signal processing (DSP) 
applications. You can implement high-performance yet low-cost DSP 
systems with the following Cyclone II features and design support:
■ Up to 150 18 × 18 multipliers
■ Up to 1.1 Mbit of on-chip embedded memory
■ High-speed interfaces to external memory
CII51001-3.2
® 
1–2 Altera Corporation
Cyclone II Device Handbook, Volume 1 February 2008
Features
■ DSP intellectual property (IP) cores
■ DSP Builder interface to The Mathworks Simulink and Matlab 
design environment
■ DSP Development Kit, Cyclone II Edition
Cyclone II devices include a powerful FPGA feature set optimized for 
low-cost applications including a wide range of density, memory, 
embedded multiplier, and packaging options. Cyclone II devices support 
a wide range of common external memory interfaces and I/O protocols 
required in low-cost applications. Parameterizable IP cores from Altera 
and partners make using Cyclone II interfaces and protocols fast and easy.
Features The Cyclone II device family offers the following features:
■ High-density architecture with 4,608 to 68,416 LEs
● M4K embedded memory blocks
● Up to 1.1 Mbits of RAM available without reducing available 
logic
● 4,096 memory bits per block (4,608 bits per block including 512 
parity bits)
● Variable port configurations of ×1, ×2, ×4, ×8, ×9, ×16, ×18, ×32, 
and ×36
● True dual-port (one read and one write, two reads, or two 
writes) operation for ×1, ×2, ×4, ×8, ×9, ×16, and ×18 modes
● Byte enables for data input masking during writes
● Up to 260-MHz operation
■ Embedded multipliers
● Up to 150 18- × 18-bit multipliers are each configurable as two 
independent 9- × 9-bit multipliers with up to 250-MHz 
performance
● Optional input and output registers
■ Advanced I/O support
● High-speed differential I/O standard support, including LVDS, 
RSDS, mini-LVDS, LVPECL, differential HSTL, and differential 
SSTL 
● Single-ended I/O standard support, including 2.5-V and 1.8-V, 
SSTL class I and II, 1.8-V and 1.5-V HSTL class I and II, 3.3-V PCI 
and PCI-X 1.0, 3.3-, 2.5-, 1.8-, and 1.5-V LVCMOS, and 3.3-, 2.5-, 
and 1.8-V LVTTL
● Peripheral Component Interconnect Special Interest Group (PCI 
SIG) PCI Local Bus Specification, Revision 3.0 compliance for 3.3-V 
operation at 33 or 66 MHz for 32- or 64-bit interfaces 
● PCI Express with an external TI PHY and an Altera PCI Express 
×1 Megacore® function
Altera Corporation 1–3
February 2008 Cyclone II Device Handbook, Volume 1
Introduction
● 133-MHz PCI-X 1.0 specification compatibility
● High-speed external memory support, including DDR, DDR2, 
and SDR SDRAM, and QDRII SRAM supported by drop in 
Altera IP MegaCore functions for ease of use
● Three dedicated registers per I/O element (IOE): one input 
register, one output register, and one output-enable register
● Programmable bus-hold feature
● Programmable output drive strength feature
● Programmable delays from the pin to the IOE or logic array
● I/O bank grouping for unique VCCIO and/or VREF bank 
settings
● MultiVolt™ I/O standard support for 1.5-, 1.8-, 2.5-, and 
3.3-interfaces
● Hot-socketing operation support
● Tri-state with weak pull-up on I/O pins before and during 
configuration
● Programmable open-drain outputs
● Series on-chip termination support
■ Flexible clock management circuitry
● Hierarchical clock network for up to 402.5-MHz performance
● Up to four PLLs per device provide clock multiplication and 
division, phase shifting, programmable duty cycle, and external 
clock outputs, allowing system-level clock management and 
skew control 
● Up to 16 global clock lines in the global clock network that drive 
throughout the entire device
■ Device configuration
● Fast serial configuration allows configuration times less than 
100 ms
● Decompression feature allows for smaller programming file 
storage and faster configuration times
● Supports multiple configuration modes: active serial, passive 
serial, and JTAG-based configuration
● Supports configuration through low-cost serial configuration 
devices
● Device configuration supports multiple voltages (either 3.3, 2.5, 
or 1.8 V)
■ Intellectual property
● Altera megafunction and Altera MegaCore function support, 
and Altera Megafunctions Partners Program (AMPPSM) 
megafunction support, for a wide range of embedded 
processors, on-chip and off-chip interfaces, peripheral 
functions, DSP functions, and communications functions and 
1–4 Altera Corporation
Cyclone II Device Handbook, Volume 1 February 2008
Features
protocols. Visit the Altera IPMegaStore at www.altera.com to 
download IP MegaCore functions.
● Nios II Embedded Processor support
The Cyclone II family offers devices with the Fast-On feature, which 
offers a faster power-on-reset (POR) time. Devices that support the 
Fast-On feature are designated with an “A” in the device ordering code.  
For example, EP2C5A, EP2C8A, EP2C15A, and EP2C20A. The EP2C5A is 
only available in the automotive speed grade. The EP2C8A and EP2C20A 
are only available in the industrial speed grade. The EP2C15A is only 
available with the Fast-On feature and is available in both commercial 
and industrial grades. The Cyclone II “A” devices are identical in feature 
set and functionality to the non-A devices except for support of the faster 
POR time.
f Cyclone II A devices are offered in automotive speed grade. For more 
information, refer to the Cyclone II section in the Automotive-Grade Device 
Handbook.
f For more information on POR time specifications for Cyclone II A and 
non-A devices, refer to the Hot Socketing & Power-On Reset chapter in the 
Cyclone II Device Handbook.
Table 1–1 lists the Cyclone II device family features. Table 1–2 lists the 
Cyclone II device package offerings and maximum user I/O pins.
Table 1–1. Cyclone II FPGA Family Features (Part 1 of 2)
Feature EP2C5 (2) EP2C8 (2) EP2C15 (1) EP2C20 (2) EP2C35 EP2C50 EP2C70
LEs 4,608 8,256 14,448 18,752 33,216 50,528 68,416
M4K RAM blocks (4 
Kbits plus 
512 parity bits
26 36 52 52 105 129 250
Total RAM bits 119,808 165,888 239,616 239,616 483,840 594,432 1,152,00
0
Embedded 
multipliers (3)
13 18 26 26 35 86 150
PLLs 2 2 4 4 4 4 4
Altera Corporation 1–5
February 2008 Cyclone II Device Handbook, Volume 1
Introduction
Maximum user 
I/O pins
158 182 315 315 475 450 622
Notes to Table 1–1:
(1) The EP2C15A is only available with the Fast On feature, which offers a faster POR time. This device is available in 
both commercial and industrial grade.
(2) The EP2C5, EP2C8, and EP2C20 optionally support the Fast On feature, which is designated with an “A” in the 
device ordering  code. The EP2C5A is only available in the automotive speed grade. The EP2C8A and EP2C20A 
devices are only available in industrial grade.
(3) This is the total number of 18 × 18 multipliers. For the total number of 9 × 9 multipliers per device, multiply the 
total number of 18 × 18 multipliers by 2.
Table 1–1. Cyclone II FPGA Family Features (Part 2 of 2)
Feature EP2C5 (2) EP2C8 (2) EP2C15 (1) EP2C20 (2) EP2C35 EP2C50 EP2C70
  Semiconductor Components Industries, LLC, 2002
January, 2002 – Rev. 2
1 Publication Order Number:
MC33178/D
MC33178, MC33179
Low Power, Low Noise
Operational Amplifiers
The MC33178/9 series is a family of high quality monolithic
amplifiers employing Bipolar technology with innovative high
performance concepts for quality audio and data signal processing
applications. This device family incorporates the use of high
frequency PNP input transistors to produce amplifiers exhibiting low
input offset voltage, noise and distortion. In addition, the amplifier
provides high output current drive capability while consuming only
420 µA of drain current per amplifier. The NPN output stage used,
exhibits no deadband crossover distortion, large output voltage swing,
excellent phase and gain margins, low open–loop high frequency
output impedance, symmetrical source and sink AC frequency
performance.
The MC33178/9 family offers both dual and quad amplifier
versions, tested over the vehicular temperature range, and are
available in DIP and SOIC packages.
• 600 Ω Output Drive Capability
• Large Output Voltage Swing
• Low Offset Voltage: 0.15 mV (Mean)
• Low T.C. of Input Offset Voltage: 2.0 µV/°C
• Low Total Harmonic Distortion: 0.0024% 
(@ 1.0 kHz w/600 Ω Load)
• High Gain Bandwidth: 5.0 MHz
• High Slew Rate: 2.0 V/µs
• Dual Supply Operation: ±2.0 V to ±18 V
• ESD Clamps on the Inputs Increase Ruggedness without Affecting
Device Performance
Figure 1. Representative Schematic Diagram
(Each Amplifier)
VEE
VCC
Iref
Vin +Vin -
Iref
CC
CM
VO
http://onsemi.com
PDIP–8
P SUFFIX
CASE 626
SO–8
D SUFFIX
CASE 751
MARKING
DIAGRAMS
A = Assembly Location
WL, L = Wafer Lot
YY, Y = Year
WW, W = Work Week
DUAL
QUAD
PDIP–14
P SUFFIX
CASE 646
SO–14
D SUFFIX
CASE 751A
Device Package Shipping
ORDERING INFORMATION
MC33178D SO–8 98 Units/Rail
MC33178P PDIP–8
MC33179D SO–14
50 Units/Rail
55 Units/Rail
MC33179DR2 SO–14 2500 Tape & Reel
MC33178DR2 SO–8 2500 Tape & Reel
MC33179P PDIP–14 25 Units/Rail
1
8
MC33178P
           AWL
        YYWW
ALYW
33178
1
8
1
14
MC33179P
AWLYYWW
1
14
MC33179D
AWLYWW
1
8
1
8
1
14
14
1
ON Semlconductor .... 
• a 
• 0 
,. 0 
# D 
LM111/LM211/LM311
Voltage Comparator
1.0 General Description
The LM111, LM211 and LM311 are voltage comparators that
have input currents nearly a thousand times lower than
devices like the LM106 or LM710. They are also designed to
operate over a wider range of supply voltages: from standard
±15V op amp supplies down to the single 5V supply used for
IC logic. Their output is compatible with RTL, DTL and TTL
as well as MOS circuits. Further, they can drive lamps or
relays, switching voltages up to 50V at currents as high as
50 mA.
Both the inputs and the outputs of the LM111, LM211 or the
LM311 can be isolated from system ground, and the output
can drive loads referred to ground, the positive supply or the
negative supply. Offset balancing and strobe capability are
provided and outputs can be wire OR’ed. Although slower
than the LM106 and LM710 (200 ns response time vs 40 ns)
the devices are also much less prone to spurious oscilla-
tions. The LM111 has the same pin configuration as the
LM106 and LM710.
The LM211 is identical to the LM111, except that its perfor-
mance is specified over a −25˚C to +85˚C temperature range
instead of −55˚C to +125˚C. The LM311 has a temperature
range of 0˚C to +70˚C.
2.0 Features
n Operates from single 5V supply
n Input current: 150 nA max. over temperature
n Offset current: 20 nA max. over temperature
n Differential input voltage range: ±30V
n Power consumption: 135 mW at ±15V
3.0 Typical Applications (Note 3)
Offset Balancing Strobing
00570436
00570437
Note: Do Not Ground Strobe Pin. Output is turned off when current is
pulled from Strobe Pin.
Increasing Input Stage Current (Note 1) Detector for Magnetic Transducer
00570438
Note 1: Increases typical common mode slew from 7.0V/µs to 18V/µs.
00570439
January 2001
L
M
1
1
1
/L
M
2
1
1
/L
M
3
1
1
V
o
lta
g
e
C
o
m
p
a
ra
to
r
© 2004 National Semiconductor Corporation DS005704 www.national.com
A..!J National 
(;"~'Semiconductor 
R2 
l.Dk 
y+ 
TTL 
STROBE 
MOTOROLA CMOS LOGIC DATAMC14504B
332
	 
   
 
    
The MC14504B is a hex non–inverting level shifter using CMOS
technology. The level shifter will shift a TTL signal to CMOS logic levels for
any CMOS supply voltage between 5 and 15 volts. A control input also
allows interface from CMOS to CMOS at one logic level to another logic
level: Either up or down level translating is accomplished by selection of
power supply levels VDD and VCC. The VCC level sets the input signal levels
while VDD selects the output voltage levels.
• UP Translates from a Low to a High Voltage or DOWN Translates from
a High to a Low Voltage
• Input Threshold Can Be Shifted for TTL Compatibility
• No Sequencing Required on Power Supplies or Inputs for Power Up or
Power Down
• 3 to 18 Vdc Operation for VDD and VCC
• Diode Protected Inputs to VSS
• Capable of Driving Two Low–Power TTL Loads or One Low–Power
Schottky TTL Load Over the Rated Temperature Range
LOGIC DIAGRAM
INPUT
VDD
OUTPUT
LEVEL
SHIFTER
MODE
VCC
TTL/CMOS
MODE SELECT
Mode Select
Input Logic
Levels
Output Logic
Levels
1 (VCC) TTL CMOS
0 (VSS) CMOS CMOS
1/6 of package shown.


SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA
  Motorola, Inc. 1995
REV 3
1/94

L SUFFIX
CERAMIC
CASE 620
ORDERING INFORMATION
TA = – 55° to 125°C for all packages.
P SUFFIX
PLASTIC
CASE 648
D SUFFIX
SOIC
CASE 751B
MC14XXXBCP Plastic
MC14XXXBCL Ceramic
MC14XXXBD SOIC
PIN ASSIGNMENT
13
14
15
16
9
10
11
125
4
3
2
1
8
7
6
Eout
MODE
Fin
Fout
VDD
Din
Dout
Ein
Bout
Ain
Aout
VCC
VSS
Cin
Cout
Bin
This device contains circuitry to protect
the inputs against damage due to high static
voltages or electric fields referenced to the
VSS pin, only. Extra precautions must be
taken to avoid applications of any voltage
higher than maximum rated voltages to this
high–impedance circuit. For proper opera-
tion, the ranges VSS  Vin  18 V and VSS
 Vout  VDD are recommended.
Unused inputs must always be tied to an
appropriate logic voltage level (e.g., either
VSS or VDD). Unused outputs must be left
open.
-
-
• 
- -- -~ 
0 I I 
I I 
------ ®MOTOROLA