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Curso Micro Tema 1

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Primer Tema del Intensivo 1-2009 del IUT Cumaná en Microcontroladores I

Primer Tema del Intensivo 1-2009 del IUT Cumaná en Microcontroladores I

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  • 1. MICROCONTROLADORES Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 2. INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES
    • Los microcontroladores se encuentran presentes en muchas tareas, artefactos y procesos que realizamos y/o utilizamos a diario. Un ejemplo de ello son: las antiguas tarjetas telefónicas, un reloj despertador, una alarma de autos y casas, el Mouse de una computadora, las lavadoras modernas, televisores, microondas, teléfonos celulares, sistemas de control de acceso, controladores de temperatura, juguetes, etc. Resumiendo están presentes en las siguientes áreas: industriales, telecomunicaciones, automóviles, entretenimiento, seguridad, entre otras.
    •             Los microcontroladores son una evolución de los microprocesadores, nacidos en la década de los 70's, presentando en la actualidad completas utilidades y aplicaciones, integrándose en un chip, funciones electrónicas que antes eran posibles por circuitos externos separados.
    •             Imaginémonos un circuito integrado que controla externamente los siguientes circuitos: memoria RAM, EPROM, convertidor Analógico/Digital, comunicación serial, módulos temporizadores, entre otros. Esto en la actualidad se encuentra contenido en un solo circuito integrado de 18, 28 y 40 pines, lo que potencia las posibilidades de aplicaciones.
    •         
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 3. INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES
    •         Los basamentos teóricos y de operatividad son muy similares a los controladores lógicos programables (PLC's) presentes en innumerables procesos industriales, a las computadoras.
    • Algunos autores definen al microcontrolador como una microcomputadora. Con un microcontrolador se puede diseñar un PLC, más no el caso contrario.
    •             Realizar un diseño con un microcontrolador es una tarea gratificante, ya que nos permitirá poner en la práctica nuestras destrezas y habilidades como diseñadores, y ver como realiza las funciones que nosotros les habremos de imponerles.
    •       Al finalizar todos los temas de este curso, mediante una sistemática enseñanza y metodología, estaremos en capacidad para partir de una idea o enunciado, hasta simularlo y llevarlo a la práctica; le encontraremos "El queso a la tostada"
    •             ¡¡¡ No es nada difícil, la práctica hace la excelencia !!!
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 4. ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES
    • Un microcontrolador es un computador dedicado, con limitaciones y menos prestaciones. Posee básicamente, las mismas partes que un computador y un controlador lógico programable. Entre ellas tenemos:
      • CPU (Unidad Central de Procesamiento)
      • ALU (Unidad Lógico - Aritmética)
      • Periféricos
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores Lógica de Control ALU Memoria de Datos Memoria de Programa Periféricos IUT Cumaná
  • 5. ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES
    • Hemos comentado en el tema anterior que los microcontroladores son una evolución más práctica de los microprocesadores, y esto se fundamenta en dos aspectos importantes: los microcontroladores albergan en su interior varios circuitos que los microprocesadores no tienen. Esto se conoce como arquitectura cerrada (para los primeros) y arquitectura abierta (para los segundos) y la arquitectura tradicional del procesador del microcontrolador (Tipo Harvard) y de los microprocesadores (Tipo Von Neumann).
    Microprocesador y su arquitectura abierta Prof. Luis Zurita Microcontroladores µP Memorias Controladores Controladores Periféricos Periféricos Bus de Direcciones Bus de Datos Bus de Control IUT Cumaná
  • 6. Microcontrolador y su arquitectura cerrada Arquitectura tipo Von Neumann Prof. Luis Zurita Microcontroladores µC Periféricos 8 CPU Memoria Instrucciones + Datos Bus común de direcciones Bus de datos e instrucciones IUT Cumaná
  • 7. ARQUITECTURA TIPO HARVARD
    • Este tipo es la tendencia en las versiones modernas de microcontroladores. Se caracterizan por separar en circuitos diferentes, las memorias de instrucción y de datos, facilitando acceder a ambas simultáneamente. Permite la técnica de segmentación.
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores Bus de Instrucciones Memoria de Instrucciones 10 Bus de Dirección de Instrucciones CPU Memoria de Datos Bus de Dirección   de Datos Bus de Datos 14 9 8 IUT Cumaná
  • 8. ¿CÓMO ACTUARÍA UN MICROCONTROLADOR EN UN PROCESO A CONTROLAR?
    • Como lo haría cualquier sistema o circuito de control, sensando o tomando información del proceso, realizando operaciones de comparación, o de acceso, o de promedio, o de alarma, etc, y actuando sobre el mismo para corregir, modificar, o mantener valores, según sean las exigencias del diseño. A "grosso modo", lo podemos ilustrar formando parte de un lazo de control cerrado o uno abierto:
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores Proceso que se desea controlar Microcontrolador Microcontrolador Información Información IUT Cumaná
  • 9. MICROCONTROLADORES PIC DE MICROCHIP
    • Existe una amplia gama de casas fabricantes de microcontroladores, en el mercado: Motorola, Intel, Texas Instrumens, Hitachi, Parallax, etc, en este curso, se han adoptado los PIC de la gama o familia media de Microchip (PIC 16F8XX) por las siguientes prestaciones:
    • ARQUITECTURA HARVARD
    • ARQUITECTURA RISC
    •             La arquitectura RISC (Reduced Instructions Set Computer) o Juego de Instrucciones Reducidas para Computadoras, posee un total de 35 instrucciones en lenguaje de máquina o ensamblador (assembler), con las que se pueden realizar infinidades de programas para el microcontrolador, lo que simplifica su uso. Los microprocesadores utilizan arquitectura CISC (Complex Instructios Set Computers) y están por el orden de 80 instrucciones.
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 10. MICROCONTROLADORES PIC DE MICROCHIP
    • SEGMENTACIÓN (PIPELINE)
    •             Esta característica se conoce como paralelismo implícito, segmenta ó separa las funciones del CPU, producto de la arquitectura Harvard, permitiéndole realizar en etapas, instrucciones diferentes en cada una de ellas y operar varias a la vez. Aumenta el rendimiento del CPU, lo que hace que sus operaciones y procesamiento sean más rápidas que la gran mayoría de los otros microcontroladores.
    • INFORMACIÓN AMPLIAMENTE DIFUNDIDA Y DE FÁCIL ACCESO
    •             Quizás una de las principales prestaciones. Esta casa fabricante proporciona libre acceso a las hojas técnicas (Data Sheet) de sus diferentes componentes, así como software para programación, proyectos propuestos, tutoriales, etc mediante su página Web: www.microchip.com
    • COMPATIBILIDAD
    •             Existen productos de software y hardware, que no pertenecen a Microchip, pero que son totalmente compatibles con sus productos. Podemos "bajar" programas adicionales gratis de Internet y realizar circuitos para programarlos a un bajo coste, exitosamente.
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 11. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MICROCONTROLADORES
    • ARQUITECTURA INTERNA DE UN MICROCONTROLADOR PIC
    •     Se dividen en tres grandes áreas:
    • 1) Núcleo
    • Estas son las características básicas para la operatividad del microcontrolador. Están constituidas por:
    • * Oscilador * Reset * CPU * ALU
    • * Memoria no volátil para programa (ROM)
    • * Memoria de lecto-escritura para datos (RAM)
    • * Memoria programable para datos (EEPROM/FLASH)
    • * Instrucciones
    • 2) Periféricos
    • Es la parte que los diferencia con los microprocesadores. Permite la conexión con el "mundo exterior". Destacan:
      • Entradas/Salidas de utilidad general
      • Módulo de captura, comparación y PWM (1)
      • Comunicación serial (1)
      • Comunicación paralela (1)
      • Comparadores (1)
      • Convertidores Analógico/Digital (1)
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 12. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MICROCONTROLADORES
    • 3) Características Especiales ó Recursos Auxiliares
    •     Contribuyen a reducir el costo del sistema, incrementan la flexibilidad de diseño y brindan mayor fiabilidad. Entre ellas tenemos:
      • Bits de configuración
      • Reset de encendido
      • Temporizador WATCHDOG
      • Modo reposo ó de bajo consumo
      • Oscilador RC interno
      • Programación serie en el propio circuito
      • Interrupciones
      • Temporizadores (Timer's)
      • (1) Algunas de estas características aplican para los PIC16F87X
    Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 13. Prof. Luis Zurita Microcontroladores DIP plástico 18 pines Encapsulado 12 a 14 VDC Voltaje de programación 2 a 6 VDC Voltaje de alimentación 20 mA Corriente máxima fuente por línea (Pin) 25 mA Corriente máxima sumidero por línea (Pin) 50 mA PA/100 mA PB Corriente máxima fuente 80 mA PA/150 mA PB Corriente máxima sumidero 13 (5 Puerto A, 8 Puerto B) Líneas de Entradas/Salidas Digitales 2 (TMR0 (3) y WDT (4) ) Temporizadores 10 MHz Frecuencia Máxima 35 RISC 4 tipos diferentes Interrupciones 8 Niveles Pila de programa 64 Bytes Memoria de Datos EEPROM 68 Bytes Memoria de Datos RAM 1k x 14 bits Memoria de Programa Valor Características IUT Cumaná
  • 14. DIAGRAMA INTERNO DEL PIC 16F84 Prof. Luis Zurita IUT Cumaná
  • 15. HARDWARE PIC16F84 Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 16. DESCRIPCIÓN DE LOS PINES DEL PIC16F84 Prof. Luis Zurita Microcontroladores 8 líneas de Entradas/Salidas digitales del Puerto B RB0 tiene una función adicional: Provoca una interrupción externa asíncrona, cuando se configura para ésta. RB7:RB0 5 líneas de Entradas/Salidas digitales del Puerto A. RA4 tiene una función adicional: Entrada de un reloj externo asíncrono ó síncrono, cuando el microcontrolador trabaja como contador de eventos. RA4:RA0 Se activa con nivel bajo, proporcionando una reinicialización del sistema (reset). Cumple con una función adicional (V PP ) que recibe la alimentación del voltaje de programación, al momento de grabar al PIC. MCLR/V PP Salida auxiliar del circuito oscilador F OSC2 /CLK OUT Entrada del circuito oscilador externo, que proporciona la frecuencia de trabajo F OSC1 /CLK IN Tierra V SS Voltaje de alimentación. Se aplican 5 VDC V DD Descripción/Función Pin IUT Cumaná
  • 17. TIPOS DE OSCILADORES
    • HS: (High Speed Crystall Resonador): Alta velocidad de 20 MHz a 4 MHz.
    • XT: (Crystall//Resonador): Estándar de 4 MHZ máximo.
    • LP: (Low Power Crystall): Bajo consumo, 200 KHz a 30 KHz.
    • RC: (Resistence/Capacitor): Baja precisión, Tiene una tabla asociada a los valores de R y C. Muy poco uso. 200 Hz a 32 Hz.
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  • 18. FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO
    • ALGUNOS CONCEPTOS
    • Un ciclo de instrucción tarda en ejecutarse cuatro períodos de reloj.
    • Todas las instrucciones del PIC se realizan en un ciclo de instrucción, exceptuando las de "salto" que tardan dos ciclos.
    • Los impulsos de reloj entran por FOSC1/CLKIN y se dividen en cuatro señales internamente, dando lugar a Q1, Q2, Q3 y Q4.
    • El ciclo de instrucción se logra al realizarse las siguientes operaciones:
      • Q1 incrementa el contador de programa (PC)
      • Q4 busca el código de la instrucción en la memoria del programa y se carga en el registro de instrucciones
      • Q2 - Q3 decodifican y ejecutan la instrucción respectiva
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  • 19. FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 20. CÁLCULOS DE TIEMPOS
    • Los cálculos se realizan bajo las siguientes recomendaciones:
    • 1.  Se elige el oscilador con el cual se va a trabajar.
    • 2.  Dada la frecuencia de funcionamiento (Frecuencia de Oscilación FOSC), por el oscilador elegido, hallamos el período.
    • 3.  Un ciclo de instrucción se ejecuta en 4 períodos.
    •             Tciclo de instrucción: 4 * TOSC
    • 4.   Multiplicamos la cantidad de instrucciones por lo que tarda en ejecutarse una de ellas, cuya información nos la brinda el paso anterior. Las instrucciones de salto se ejecutan en dos ciclos, por lo tanto, si tenemos instrucciones de salto, éstas hacen que se multiplique el ciclo de instrucción por dos.
    • ·         Duración del total de instrucciones normales (DTIN): Nro. de instrucciones  *  Tciclo de instrucción
    • ·         Duración del total de instrucciones de salto (DTIS): Nro. de instrucciones  *  Tciclo de instrucción  *  2
    • 5.        Para determinar cuánto dura un programa en ejecutarse, sumamos la duración de las instrucciones normales más la duración de las instrucciones de salto.
    •             Total de duración del programa: DTIN + DTIS
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  • 21. CÁLCULOS DE TIEMPOS
    • Ejemplo . Sea un cristal XT, cuya frecuencia es F= 4 MHz, Halle el total de duración de un programa que contiene 250 instrucciones normales y 50 instrucciones de salto.
    •   1. Hallamos el período:
    •             T= 1/F, éste valor es conocido como el período de oscilación.
    •      T= 1 / 4 MHz = 0.25 μs
    • 2. Hallamos el Ciclo de Instrucción:
    •           Tciclo de instrucción= 4*0.25 μs = 1 μs.
    • 3. Duración del total de instrucciones normales (DTIN):
    •           DTIN: 250 * 1 μs = 250 μs
    • 4. Duración del total de instrucciones de salto (DTIS):
    •           DTIS: 50 * 1 μs * 2 = 100 μs
    • 5. Hallamos el total de duración del programa:
    •         Total: DTIN + DTIS = 250 μs + 100 μs
    •         Total: 350 μs
    •    Por lo tanto nuestro programa tarda en ejecutarse, alrededor de 350 μs.
    • Ejercicio . Dado un programa que contiene 850 instrucciones, de las cuales el 20 %, corresponden a instrucciones de salto. Halle: ¿Cuánto tarda en ejecutarse el programa? Considere: A) Oscilador LP,     B) Oscilador XT
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  • 22. CIRCUITOS DE RESET Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 23. CIRCUITOS DE APOYO (INTRODUCEN DATOS AL MICROCONTROLADOR) Pulsadores e interruptores Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 24. CIRCUITOS DE APOYO (SACAN DATOS DEL MICROCONTROLADOR) Visualización Con Display Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná
  • 25. CIRCUITOS DE APOYO (SACAN DATOS DEL MICROCONTROLADOR) Con Relé Con optoacoplador Prof. Luis Zurita Microcontroladores IUT Cumaná

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