Capítulo 10. Temas pendientes y rentabilidad

Introducción

Este capítulo se enumeran los temas que quedaron pendientes para un desarrollo posterior del proyecto, junto con un comentario sobre la importancia y dificultad de cada uno. También se presenta un estudio de rentabilidad tentativo, a modo de ejemplo.

Mejoras pendientes

Como en todo proyecto, tuvimos que dar prioridad a ciertas tareas sobre otras, debido fundamentalmente a la falta de tiempo. La siguiente es una lista de los temas que quedaron pendientes y las posibles mejoras a realizar.

Etapa de entrada y aislación

La etapa de entrada actual fue diseñada como prueba de concepto, para mostrar el funcionamiento del control de escala de voltaje y la interacción necesaria entre el software y el firmware para lograrlo.

Sin embargo, la etapa de entrada carece de un exhaustivo diseño por lo que su funcionamiento debe considerarse muy elemental.

Actualmente, los amplificadores de alta ganancia generan oscilaciones, y los de baja ganancia no amplifican lo suficiente para poder medir el rango de señales deseado. Además, estos componentes tienen que cumplir con el requisito de ancho de banda necesario para no degradar el funcionamiento del equipo. Esta etapa debe ser rediseñada por completo de forma minuciosa para cumplir con los requisitos necesarios.

Por otro lado, también carece de cualquier mecanismo de protección. Dado que las pruebas fueron realizadas con señales de laboratorio controladas, este tópico fue aplazado. Sin embargo, la protección y aislación para proteger la seguridad del equipo (y del operador) es un requisito imprescindible en el caso de que se vaya a comercializar el producto.

De igual importancia, es la aislación (a través de un optoacoplador o similar) entre la placa y el PC, ya que hoy en día la conexión al puerto USB se realiza de forma directa.

Ancho de banda

Otro tema pendiente es el de aumentar la frecuencia de trabajo del osciloscopio de forma de llegar a los 20 MSPS estipulados en los objetivos. Como ya se mencionó en varias oportunidades, el hardware del osciloscopio fue diseñado para trabajar hasta 40 Mhz, por lo cual, para lograr este objetivo bastaría con sustituir el cristal por uno más rápido.

Sin embargo, también sería necesaria la fabricación de un circuito impreso apropiado, para minimizar los problemas de ruido e interferencia que van a aparecer a estas frecuencias (ver punto sobre Circuito Impreso y EMC, más abajo).

Circuito impreso y EMC

Una vez que se cuente con el diseño final de la placa (incluyendo la etapa de entrada), será necesario realizar un circuito impreso para obtener un mejor desempeño en cuanto a la interferencia y el ruido, y minimizar la probabilidad de fallas, malas conexiones, etc.

Debido a la naturaleza de nuestro proyecto (componentes de alta velocidad, buses de datos, alta tasas de transferencias) sería deseable realizar un delicado estudio pormenorizado de la interferencia electromagnética generada y recibida por los componentes de forma de poder diseñar una distribución óptima para minimizar dichos problemas.

Para atacar este problema, ya existen algunas pautas genéricas sobre el diseño de PCB de alta frecuencia, como ser:

• evitar al máximo posible los loops en las pistas de alta frecuencia
• colocar componentes de alta frecuencia lo más cerca posible
• utilizar planos de tierra

Debido a que la fabricación de un circuito impreso para la placa no estaba dentro de los objetivos previstos, este fue uno de los tópicos que quedó relegado para una futura instancia del proyecto.

También vale recalcar que, para poder comercializar el producto, éste debería aprobar las pruebas de conformidad con los límites actuales de emisión e interferencia fijados por la URSEC.

Detección de transitorios por software

La detección de transitorios es una tarea muy importante, incluso más que el análisis en frecuencia, pero bastante más compleja también, puesto que involucra tareas de procesamiento inteligente, como ser correlación de los datos con secuencias de valores conocidos para detectar picos de voltaje y otros tipos de irregularidades. Esta tarea también fue relegada por no estar relacionada directamente con el diseño electrónico del aparato o su comunicación con el PC, sin embargo siempre tenida en cuenta a lo largo del desarrollo para dejarla prevista. Por eso escogimos una memoria grande de 32K para poder almacenar una buena cantidad de muestras, lo cual es un requisito necesario para este tipo de procesamiento de la señal. Dada su gran utilidad, consideramos que esta es una de las primeras características a agregar en el software.

Convolución con sinc

Actualmente el software interpola linealmente las muestras recibidas del osciloscopio para graficar la señal obtenida. Esto ocasiona que a frecuencias muy cercanas a la máxima (4 Mhz, en el caso del prototipo) no sea posible vislumbrar una señal senoidal, más aún, solo se obtiene una banda continua de puntos, ya que en dicho caso se están interpolando únicamente dos puntos por período. Para solucionar este problema y lograr graficar señales senoidales de hasta 4 Mhz deberíamos entonces interpolar la señal con un sinc que es aquella señal cuya transformada en frecuencia es un escalón (es decir, un pasabajo), lo cual se asemeja más al filtro aplicado en el muestreo de la señal, y por lo tanto nos permite obtener un resultado más fiel al original.

Vale notar que al convolucionar un sinc con la señal más rápida (la cual tiene 2 muestras por período aprox.) se obtiene una señal senoidal perfecta lo cual es coherente con lo esperado puesto que una senoidal de 4 Mhz es la señal más rápida que el osciloscopio es capaz de medir.

Para implementar esta convolución (y así agregar una gran ventaja de usabilidad al osciloscopio) se utilizaría la misma librería usada para la FFT (NumPy) por lo cual sería una tarea bastante sencilla.

Mecanismo de conexión con el osciloscopio

Actualmente se utiliza el mecanismo de barrido de puertos serie para conectarse con el osciloscopio. Este mecanismo no es inocuo para el PC y por lo tanto debe cambiarse en el producto final, ya sea colocando un selector de puerto a utilizar (solución sencilla) o desarrollando un driver USB propio para el osciloscopio que no involucre el uso de puertos virtuales.

LEDs de estado

Una característica importante de usabilidad que dejamos de lado fue la colocación de LEDs de diagnóstico (y estado) en el osciloscopio. En particular, resultan de interés:

• LED de encendido
• LED de conexión USB
• LED de captura de datos en curso

Dichos podrían ser conectados de la siguiente manera:

• el LED de encendido conectado a la salida del regulador 7805
• el LED de conexión USB conectada al Vcc del bus USB
• el LED de captura de datos iría conectada a un pin del PIC y sería controlado desde el firmware.

Trigger externo por hardware

Otro tema que quedó pendiente fue la implementación de un trigger externo por hardware lo cual permitiría disparar la captura de datos por un canal al recibir un pulso por el otro.

El hardware fue dejado previsto para esta tarea, por lo cual solo faltaría implementar el algoritmo de disparo por hardware que se encuentra explicado en el Capítulo 4. Hardware (Trigger externo por hardware).

Sin embargo, la implementación de esta característica requiere profundizar el estudio sobre el funcionamiento del comparador del PIC y sus interrupciones por cual sería una tarea de mediana complejidad.

Driver USB propio

Escribir un driver de comunicación USB propio, lo cual permitiría obtener transferencias más rápidas entre el osciloscopio y la PC. Si bien no sería posible llegar a la velocidad máxima de USB 1.1 (1.4 Mbytes/seg) debido a limitaciones de tiempo procesamiento del PIC, se podría mejorar ampliamente la velocidad de transferencia. Actualmente ésta está limitada a 80 Kbytes/seg debido al firmware CDC utilizado para la comunicación.

Sin embargo, el tener un driver USB propio también complicaría la portabilidad, puesto que habría que escribir un driver para cada sistema operativo donde se quiera correr el osciloscopio, en lugar de aprovechar los drivers para la comunicación USB-CDC que ya vienen disponibles en todo sistema operativo moderno.

Vendor ID y Product ID propio

Si bien los valores del Product ID (PID) y Vendor ID (VID) puede ser modificados arbitrariamente al programar el firmware, dichos códigos son un tema muy delicado. La USB-IF (USB Implemmenters Forum) tiene la autoridad (y responsabilidad) absoluta sobre la asignación de códigos VID únicos de 16 bit para cada fabricante que quiere comercializar sus productos USB. Esos códigos son obtenidos mediante una licencia y el pago de un impuesto (por una única vez) que asciende a los U$S 1500.

Una vez que al fabricante obtiene su Vendor ID (VID) tiene a disposición 65.536 códigos PID (de 16-bit) para identificar únicamente sus productos. En caso de querer comercializar el osciloscopio sería necesario contactar a la USB-IF para solicitar un un Vendor ID.

Esta tarea es puramente administrativa y no presenta dificultad alguna, salvo por la solvencia económica necesariamente para obtener los U$S 1500.

Tamaño del firmware

Actualmente el firmware utiliza funciones de la librería estándar de C stdio.h, concretamente sprintf(). La implementación de dichas funciones son extremadamente grandes y hacen que el tamaño del firmware compilado prácticamente se duplique. Como en nuestro caso el código entra sin problemas en el PIC no consideramos este problema una prioridad, pero se podrían eliminar dichas funciones (que son muy genéricas) implementando manualmente las rutinas necesarias para obtener la misma funcionalidad que hoy se logra a través de ellas.

Puesto que el uso de la función sprintf() es muy reducido (solo se utiliza para generar el texto de la respuestas USB) solucionar este problema sería bastante sencillo.

Estudio de rentabilidad

A continuación realizaremos un análisis de los costos de fabricación y desarrollo para estudiar si el producto es rentable comercialmente. Sabemos que el prototipo en su estado actual no es comercializarle, pero nos parece igualmente de gran utilidad la realización de este estudio para ver donde estamos parados y además porque es etapa por la que siempre debe pasar todo producto electrónico que vemos en el mercado.

Para comenzar, calcularemos el costo total de producir un osciloscopio utilizando la siguiente fórmula:

Donde costo total es la suma del costo de todos los componentes de construcción y el costo de desarrollo, que esta dado por la siguiente fórmula:

Dado que nuestro mercado objetivo es el ámbito académico, estimaremos las unidades a vender basados en los potenciales clientes locales. A esto le sumaremos un estimativo de unidades que se podrán vender a entusiastas, empresas, personas que trabajen en el ramo, e incluso la posibilidad de vender unidades en el exterior (incluidos dentro de "otros").

Suponiendo el costo de la hora hombre de desarrollo en U$S 15, y estimando un total de 700 horas hombre dedicadas (2 * 350 hs) nos queda:

El costo de los componentes se desglosa a continuación. No se incluyen adaptadores SOIC-DIP y similares puesto que éstos solo son necesarios para el desarrollo del prototipo y no para su producción. Además no se incluyen precios de resistencias y capacitores pero éstos, a su vez, serán compensados por el abaratamiento de los componentes al comprarlos en grandes volúmenes y empaquetados más económicos.

Por lo tanto, el costo total de fabricación del osciloscopio queda de la siguiente forma:

Esto nos daría el margen suficiente como para comercializar el osciloscopio a U$S 300, lo cual nos parece un precio razonable para centros de estudio.

La principal intención es recuperar los costos de desarrollo dentro del primer año de ventas, es por esto que se divide por las 180 unidades estimadas como venta inicial. Luego sobre los costos fijos de componentes se suma la mano de obra necesaria para producir cada equipo.

El margen de ganancia bruta obtenido se destinaría a alguna de las siguientes categorías:

• reinversión (investigación, mejoras, etc).
• distribución.
• marketing, publicidad.
• ganancia neta.

Los porcentajes de cada ítem deberán ser evaluados oportunamente, en el caso de que este proyecto llegue a ser una realidad comercial.

Flujo de fondos

A continuación se presenta un estudio de flujo de caja tentativa para los valores actuales. Debe ser tomado solo a modo a ejemplo, puesto que prototipo actual no permite estimar el costo exacto del un modelo comicial, sino simplemente tener una idea acerca del mismo.

En definitiva:

• Tasa de costo de capital (TCC): 9%
• VAN: $41.144,38 ( VAN > 0 )
• TIR: 94% ( TIR > TCC )

Al obtener un Valor Actual Neto (VAN) de la inversión positivo, y al ser la TIR mayor a la tasa de costo de capital, podemos decir que el proyecto es rentable y decidimos llevarlo a cabo.

La Tasa de Costo de Capital (TCC) es el promedio ponderado de la tasa requerida por el accionista y la tasa de costo de la deuda después de los impuestos. Como suponemos que esta inversión se financia solamente con fondos de terceros (para simplificar), utilizamos la tasa de costo de la deuda en dolares que nos da un banco en plaza. El 9% es la tasa anual en dolares. También puede ser la tasa de retorno requerida por los inversores.

El Valor Actual Neto es la diferencia entre todos los ingresos y todos los egresos actualizados al periodo actual. Según el criterio del Valor Actual Neto el proyecto debe aceptarse si su Valor Actual Neto es positivo.

La Tasa Interna de Retorno (TIR) es aquella tasa tal que descontando el flujo a esa tasa el VAN es cero. Esta tasa mide la rentabilidad de la inversión.

Volumen: Calculamos para el volumen una venta de 180 unidades el primer año, incrementando 10% en el segundo, 20% en el tercero y 30% en los siguientes.

Costos Fijos: estos serían gastos de electricidad, teléfono, alquiler, etc. Suponemos un gasto de U$S 300 mensual.

Gastos de Administración y Ventas: Suponemos unos U$S 1000 por mes y aumenta en el mismo porcentaje que el volumen de ventas.

Los costos variables son los costos que varían con las cantidades producidas. Son los afectados directamente por la producción (no como los costos fijos, que no importa la cantidad de osciloscopios que se produzcan, siempre se va a tener los mismos; el alquiler, el teléfono, el gas, los sueldos, no varían). Los calculamos suponiendo únicamente las horas hombre afectadas a la producción de cada equipo, estimadas en 5 hs. y valor se multiplica por la cantidad de equipos que se fabriquen por año.

El costo de MP, es el costo de la materia prima, que esta calculado en la tabla 10.2.

Referencias

• URSEC
  • http://www.ursec.gub.uy