Estudiante de I.T.T Sistemas electrónicos

Transcripción

1 Actualmente, la mayoría de los sistemas electrónicos llevan acoplados algún microcontrolador. La industria actual ha requerido de estas unidades para poder aumentar las aplicaciones en sistemas para poder facilitar la vida de los usuarios. Estos <<chips>> forman parte de lo que será un sistema empotrado, el cual tendrá múltiples funciones y digamos que será el encargado de dirigir el sistema en cuestión. A partir de ahora denominare a estos sistemas empotrados ya que cumplen una serie de condiciones como es la concurrencia (varias tareas se ejecutan al mismo tiempo), son sistemas que reaccionan a eventos externos y funcionan constantemente y están basados en elementos programables (μc s, fpga s, pal s). Los microcontroladores a diferencia de los microprocesadores son más baratos (a partir de 10 euros), van dirigidos a los pequeños sistemas aunque cada vez son mejores y pueden estar ya en cualquier lado. Tienen un menor consumo en cuanto a batería y son de propósito específico (una vez programados cumplen una función determinada). La gran ventaja de los microcontroladores es que integran muchos módulos en un mismo chip como son los temporizadores, los puertos a los cuales podremos conectar cualquier tipo de periférico, y que gracias a protocolos de comunicación como el I2C podremos disponer de muchos periféricos conectados ya que este protocolo solo necesita de 2 líneas, además el microcontrolador en si trae una pequeña memoria interna tipo FLASH, E2PROM o RAM con la que podremos almacenar datos y también meteremos el software en cuestión (el programa que llevara el funcionamiento del micro). Por si fuera poco si la memoria interna no nos es suficiente podremos añadirle gracias a los puertos de E/S una memoria externa que aumentara las prestaciones del sistema global. Los hay de 4 bits a 32 bits aunque los más usados son los de 8 bits, ya que en la mayoría de los sistemas con uno de 8 es suficiente. El microcontrolador en el sistema se encargará de controlar su funcionamiento y la interconexión medio-máquina. Para ello, deberá generar las oportunas señales. Como cualquier sistema esas señales podrá ser periódicas (cuyo uso se encargarán los temporizadores) o bien dependerán de otros factores en cuyo caso nuestro software tendrá una lógica de selección que dependiendo de lo que ocurra se ejecutará una cosa u otra. Además el microcontrolador siempre deberá estar funcionando, por ello este tipo de programación no tiene un final establecido de ahí que un código básico para comenzar ha hacer algo sea el siguiente. Para programar se suele emplear C ya que es un código sencillo, y existen programas que convierten el código a ensamblador. While (1) //bucle infinito switch(estado) case (1) //eventos asociados al estado 1 } case(2) }

2 Además el microcontrolador contará con unos flags de interrupción asociados a pines del chip que se podrán activar desde el exterior o dentro de un propio estado, esto proporcionará rutinas externas que se hagan cambiar de estado o que produzcan cambios en el programa. Por ello los eventos podrán ser atendidos bien por interrupción, bien por sondeo (cada cierto tiempo comprobamos algún cambio determinado ya sea en un pin físico, en una variable, etc). El esquema de un sistema empotrado será el siguiente. RS-232 [Puerto serie] (Interfaz entre PC y micro para transmitirle el código de programación o para controlarlo también) Alimentación (Baterías, pilas, etc) Microcontrolador -Memoria -Temporizadores -Puertos de comunicación. -Puertos E / S Periféricos La memoria de datos y de programa pueden estar separadas como en la familia MCS-51 o conjunta como en el HC_11. La memoria de datos es volátil (cada vez que se arranca el sistema es borrada) y la de programa no volátil. Debido a la periodicidad de ciertos eventos se recurre a los temporizadores. Estos están dotados de unos registros que llevan unos bits para configurarlos en el modo que queramos. También depende del tipo de temporizadores tendremos unos modos u otros. Los micros suelen tener un par de temporizadores básicos y alguno más complejo. En el caso de la familia MCS-51 se le suele añadir otro que presente más funcionalidad y en algunos disponen de un temporizador especial llamado PCA que esta formado a su vez por 5 módulos que pueden funcionar de forma independiente dotando al microcontrolador de unas grandes prestaciones. El modo suele depender de: - Cuanto vayamos a contar (nº de bits). - Si la cuenta se inicializa desde un pin externo debido a un flaco o cambio de nivel. - Si la señal tiene un ciclo de trabajo fijo o no (uso de dos temporizadores o uno en el modo que corresponda). - Si la cuenta es periódica constantemente, cada vez que se acabe siempre vuelve a contar lo mimo (autorecarga). - De la frecuencia con la que se repita esa cuenta (si es muy grande habrá que recurrir a modos especiales o ha cambiar la frecuencia del propio microcontrolador). Los eventos además de todo lo dicho anteriormente tendrán una prioridad, es decir, habrá un cierta jerarquía en la que si se producen 2 eventos a la vez, o si mientras se esta

3 ejecutando uno, salta el flag de otro evento podrá comenzar a ejecutarse el nuevo o igual tendrá que esperar a que acabe el otro porque tenga más prioridad. Para programar es necesario siempre tener a mano las hojas de características del micro, estas nos dicen que bits hay en cada registro, el nombre de ellos, la posición en memoria, etc. Esta posición suelen ser punteros de forma que muchos de ellos podamos asignarles que posición queremos. Para tratar las interrupciones es necesario escribir la rutina de interrupción correctamente, guardar los flags que no se guardan de forma automática y habilitar correctamente las interrupciones que queramos poniendo a 1 o a 0 el debido flag. Además el micro dispone de un modo de bajo consumo en el que se mantienen las salidas, memoria y registros que es el IDLE, el micro aparece como dormido y de esta forma se consigue una vida mucho mayor del dispositivo y un comportamiento más eficaz. Esto quiere decir que es mucho mejor dejar el micro en modo IDLE que dejarlo en un bucle while, ya que el micro no siempre deberá estar haciendo alguna tarea. Para comunicarnos con el sistema podemos utilizar el puerto serie, mediante una conexión sincronía o asíncrona gracias a una herramienta de la que dispone nuestro sistema operativo, en mi caso windows, que se llama hyperterminal y se encuentra en inicio->programas->accesorios->comunicaciones. Con esta herramienta podremos enviar a nuestro dispositivo los comandos que queramos ejecutar, así como ver las opciones posibles a ejecutar. Antes de abrir una comunicación habrá que especificar las características. El puerto serie esta formado por 2 líneas, una de transmisión y otra de recepción, y hay que generar su velocidad que se mide en baudios mediante algún temporizador. En el 80C51 por ejemplo, la fórmula sería la siguiente. Fperif=f osc (X Mhz) Fout = 12 (modo normal)*(256(8bits)-thx[bit alto del temporizador]) 2 smod [modo del Puerto serie]* f out Fcom= 2*16 Si no es mediante un pc nos podemos comunicar bien por pulsadores o botones en el mismo sistema, bien mediante un mando a distancia que emita ciertos códigos por infrarrojos y que los reciba el sistema o bien el sistema puede ser autónomo y no necesitar nada, solo interactuamos con el a la hora de cargarle el programa. Esto sucede en los microrobots, de ahí su complejidad, estos son capaces de reaccionar a cualquier situación ajena y dependiendo de lo que sea responder de una u otra forma. Dotar al sistema de autonomía eleva el coste y el tamaño del programa. También se le puede dotar de autonomía completa haciendo que cuando se vea sin batería se autorecargue sólo. Sin embargo a pesar de las grandes ventajas que tiene el microcontrolador, podría haber ciertos problemas debido a la ocupación de puertos ya que si los periféricos estuvieran unidos a ellos en paralelo, y se transmitiera un byte por ciclo, se nos acabarían muy rápidamente. Por ello hay que recurrir a otros métodos de comunicación, el más empleado es el I2C.

4 La comunicación I2C tiene la ventaja hoy en día en que se reduce el coste y se gana en recursos del sistema, aunque se pierda velocidad. Esta perdida de velocidad en algunos sistemas es irrelevante. Surge de la necesidad de conectar un micro ha varios periféricos, y claro, si son mas de 2 y tienen varias líneas el coste de recursos es muy alto, nos quedamos sin puertos, por ello había que inventar otro sistema de comunicación. Este sistema únicamente necesita dos líneas de conexión: SDA y SCL. Las premisas básicas del protocolo son las siguientes: Escritura El maestro siempre inicia la comunicación, enviando la dirección del esclavo en mi caso con la función I2CsendAddr. Además como es escritura debo poner como segundo parámetro un 0. El maestro envía la dirección donde se quiere posicionar y el esclavo manda un ACK como señal de que ha sido recibido, si no se producirá un error. El maestro envía el byte que quiere escribir, machacando la información anterior y el esclavo envía un ACK como señal de que a sido recibido. Se puede continuar escribiendo en las siguientes posiciones de memoria asta que se acabe donde escribir. El maestro termina la comunicación con el bit de parada. Lectura A deferencia de la escritura, aquí después de mandar en escritura la dirección del esclavo, tenemos que volver a mandar la dirección del esclavo en modo lectura (segundo parámetro un 1). Como nos hemos posicionado ya anteriormente, simplemente recogeremos los bytes con la función I2Cbyte, esta función coge el byte siempre que le envie un 0 como parámetro, el byte lo recibirá el maestro y se posicionará en el siguiente byte. En este protocolo el destinatario de cada dato tiene que confirmar que ha llegado, en el caso de la escritura en el que el micro le envía al periférico los datos, el esclavo debe enviarle un ACK (conocimiento de que le ha llegado). Y en el caso de la lectura se lo manda el maestro (el micro), un NACK. El maestro termina la comunicación al igual que en la lectura enviando el bit de parada. Gracias a este sistema podríamos tener infinidad de aplicaciones con un mismo micro.

5 Para terminar pondré la foto que sirva como ejemplo de un sistema empotrado. Es la práctica final realizada en la asignatura de sistemas digitales II 04/05 que trataba de implementar un mando a distancia programable, es decir, podía añadírsele una lista de canales que se activaran a la hora que quisiéramos. Resistores de pull-up conectados al puerto 0 Display LCD 2 líneas de 16 caracteres Pila de 3V del reloj Micro de RESET Leds que indican en que estado estamos Pulsadores SW1 SW2 SW3 NPN del emisor PSEN (Boot) Oscilador DS1307 Detector de infrarrojos Emisor de infrarrojos R s de Pull up del DS1307 Entrada de tensión continua de 7 5V regulador que me da 5V MAX232 Led para comprobar que el circuito esta alimentado.