TUTORIAL Comunicación Serial

Transcripción

1 1 TUTORIAL Comunicación Serial OBJETIVOS Manejar el módulo USART para comunicaciones seriales asíncronas. Realizar transmisiones y recepciones seriales útiles para el control y monitoreo de eventos. INTRODUCCIÓN: En este tutorial se explica una comunicación vía puerto serial al PC, para ello manejaremos el módulo USART del microcontrolador PIC16F887. Realizaremos una envío de datos a ser visualizados en el LCD. Algunas Generalidades del puerto serial: Porque serial? Hay muchas razones diferentes para usar una interfaz serial. Una de las más comunes es la necesidad de hacer interfaces con PCs, durante el desarrollo y en la aplicación. Casi todos los PCs tienen algún tipo de interfaz con bus serial disponible para conectar los periféricos. Un beneficio de las comunicaciones seriales es el poco número de pines necesarios. Las comunicaciones seriales pueden ser hechas con solamente un pin de I/O (entrada/salida), comparado con los 8 ó más pines necesarios para lograr una comunicación paralela. Muchos periféricos comunes en los sistemas embebidos, tales como conversores análogo a digital, conversores digital a análogo, LCDs, y sensores de temperatura, soportan interfaces seriales. Terminología Antes de detallar las interfaces seriales, debemos definir varios términos: En un bus asíncrono, los datos son enviados sin una señal de reloj, un bus síncrono envía los datos con una señal de reloj. Full duplex significa que los datos pueden ser transmitidos y recibidos simultáneamente. Half-duplex es cuando los datos pueden ser enviados o recibidos, pero no al mismo tiempo. Maestro/Esclavo. Describe un bus donde un dispositivo es el maestro y otros son esclavos. Los buses maestro/esclavo son usualmente sincrónicos, el maestro frecuentemente proporciona el reloj de temporización para los datos que están siendo enviados en ambas direcciones. Un bus multimaestro es un bus maestro/esclavo que puede tener más de un maestro. Estos buses deben tener un esquema de arbitración que 1

2 2 pueda resolver conflictos cuando más de un maestro quiera controlar el bus al mismo tiempo. Las interfaces punto a punto o par a par son las que tienen dos dispositivos que tienen una relación de igual a igual, el uno al otro; no hay maestro ni hay esclavos. Las interfaces pares son frecuentemente asíncronas. Ventajas de usar transmisión serial sobre la transmisión paralela: 1) Los cables seriales pueden ser más largos que los cables paralelos. El puerto serial transmite un '1' como un -3 ó -25 voltios y un '0' como un +3 ó +25 voltios. La variación en voltaje puede llegar a ser de hasta 50 V mientras que con el puerto paralelo es de 5V. 2) No se necesitan tantos cables para la transmisión paralela. 3) se puede adaptar a interfaces infrarrojas. Protocolo de Comunicación RS-232 TIA/EIA-232-F (Normalmente referido como RS-232) es una interfaz común que puede ser encontrada en casi todos los PCs. RS-232 es un estándar completo, no solamente incluyendo características eléctricas, sino características físicas y mecánicas, como una conexión de hardware, pin-outs, nombres de señales. Una interfaz punto a punto, RS-232 es capaz de lograr a distancias moderadas velocidades de hasta 20-Kbps. Aunque no se especifique en el estándar, velocidades más altas de 115.2Kbps son posibles en distancias relativamente cortas. Un bus RS-232 es un bus no balanceado capaz de establecer comunicaciones full-duplex entre pares receptor/transmisor, Cada uno tiene una señal de transmisión que está conectada a la señal de recepción en el otro lado. Muchos productores de microcontroladores incluyen soporte para RS-232, llamado Universal Asynchronous Receiver Transmitters (UARTs). Otros tipos de comunicaciones seriales que se pueden encontrar en los sistemas robóticos son RS-422 y RS-485, I2C, SPI. Estos protocolos no se estudian aquí. Los puertos seriales vienen en dos "tamaños", esta el conector tipo D de 25 pines y el conector tipo D de 9 pines, normalmente tienen terminal macho en la parte trasera del PC, por lo tanto se requiere un conector hembra en el dispositivo a conectar. A continuación mostramos la tabla con la asignación de pines de un conector típico DB9 y DB25. 2

3 3 En la siguiente tabla se explica el funcionamiento de las señales usadas por El protocolo RS-232. D-Type 25 Pin D-Type 9 Pin Pin 2 Pin 3 Pin 3 Pin 2 Pin 5 Pin 8 Pin 8 Pin 1 Pin 6 Pin 6 Pin 20 Pin 4 Pin 4 Pin 7 Pin 22 Pin 9 Abreviación Nombre completo TD Transmisión de datos RD Recepción de datos CTS Clear to send DCD Data Carrier Detect DSR Data Set Ready DTR RTS RI Data Terminal Ready Request to Send Ring Indicador Función Pin 7 Pin 5 SG Signal Ground Tabla 1. conectores de 9 pines y de 25 pines Salida serial de datos Entrada serial de datos Esta línea indica que el dispositivo esta listo para enviar datos Cuando el dispositivo detecta una portadora de un equipo al otro lado de la línea. Esta línea le indica al equipo que esta listo para establecer el enlace. Es opuesto al DSR. Esta le dice a el MODEM que la UART esta lista para el enlace. Esta línea le informa al equipo que la UART esta lista para intercambiar datos Se activa cuando un equipo detecta una señal de teléfono en la RTPC Señal de referencia a tierra Formas de onda RS232 La comunicación RS232 es asíncrona. Esto es porque la señal de reloj no es enviada con los datos. Cada palabra es sincronizada durante el bit de inicio, y el reloj interno en cada lado de la comunicación, mantiene un registro de la temporización. El diagrama superior muestra la forma de onda que sale del modulo serial cuando se utiliza un formato común 8N1. 8N1 significa 8 bits de datos, no Paridad y un bit de Stop. La línea RS232, cuando en estado de espera está en el estado de uno lógico. Una transmisión comienza con un bit que es un cero lógico. A continuación cada bit es enviado por la línea, uno ala vez. El LSB (Bit menos significativo) es enviado primero. Un bit de Stop (uno lógico) es luego adherido a la señal para cerrar la transmisión. 3

4 4 El diagrama, muestra que el siguiente bit después del bit de stop es un cero lógico. Esto significa que otra palabra está siguiendo en la transmisión, y este es el bit de Start. Si no hay más datos siguiendo, entonces la línea receptora estará en un estado de espera (uno lógico). Nosotros podemos encontrar en la transmisión serial algo llamado una señal de "Break". Esto ocurre cuando la línea de datos es mantenida en un estado de cero lógico por un tiempo superior al necesario para enviar una palabra completa. Desde luego, si uno no lleva la línea de nuevo al estado de espera, la terminal receptora interpretará esto como una señal de break. Los datos están enmarcados entre el bit de Start y el bit de Stop. Los datos que se envían de esta forma se dice que están enmarcados. Los niveles RS-232 utilizan desde +3 a +25 voltios para significar un "espacio" (cero lógico) y desde -3 a -25 voltios para significar una "marca"(uno lógico). Cualquier voltaje en estas regiones (entre -3 y +3 voltios) es indefinido. La señal digital normalmente se lleva a una etapa de conversión de niveles RS232. Esta es la señal presente en el puerto RS-232 del computador como se observa en la imagen. Niveles típicos de transmisión serial RS-232 (+10, -10) La grafica anterior se aplica tanto a las líneas transmisoras como receptoras en el puerto RS-232. Convertidores de nivel RS-232 Casi todos los dispositivos digitales requieren niveles lógicos TTL o CMOS. El primer paso para conectar un dispositivo a un puerto RS-232 es transformar los niveles RS-232 a niveles de 0 y 5 voltios. Como hemos comentado anteriormente esto es realizado con convertidores de nivel RS-232. Un dispositivo usado es el MAX232. Este incluye unas Bombas de Carga, que generan +10V y -10V de una fuente sencillas de 5V. Este circuito integrado también incluye dos receptores y dos transmisores en el mismo paquete. Esto es útil en muchos casos cuando uno solamente se quieren usar las líneas de 4

5 5 datos de transmisión y recepción. No será necesario utilizar dos chips, uno será usado para la línea de recepción y otra para la línea de transmisión. MANEJO DE LA COMUNICACIÓN EN EL PIC (USART): En la mayoría de las aplicaciones realizadas con microcontroladores se usa una forma más simple de la comunicación RS 232 en la cual solo se usan los pines de TX(TD) RX (RD) y obviamente la tierra (GND). En este tipo de comunicación no se manejan los pines de protocolo (Handshaking). La comunicación serial está implementada en dos módulos en la mayoría de los microcontroladores PIC. Un módulo denominado SSP se encarga de las comunicaciones I2C y SPI usadas para comunicar circuitos integrados entre sí; en este tutorial nos centraremos en el otro módulo, el USART, el cual es usado para realizar la comunicación serial con un PC siguiendo el protocolo RS232. USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) es un modulo que permite realizar comunicaciones tanto sincronas como asincronas, para la comunicación con el computador obviamente usaremos el modo de transmisión asíncrona. El USART trabaja sobre dos pines del microcontrolador, el TX (RC6) y el RX (RC7). El USART consta de varias partes, un generador de baudios (BRG) un transmisor (Tx) y un receptor (Rx). El generador de baudios es un reloj interno que sincroniza la comunicación, las dos partes a ser comunicadas deben configurarse a la misma cantidad de baudios (Pc y microcontrolador). El transmisor está conformado básicamente por un buffer donde se escribe el dato a ser enviado (TXREG) y un registro de desplazamiento (TSR) que se encarga de enviar uno a uno los bits escritos en TXREG al ritmo dado por el generador de baudios. Análogamente el receptor está conformado por un registro de desplazamiento (RSR) que recibe los datos bit a bit y un buffer (RCREG) que guarda el dato recibido. Los registros de desplazamiento RSR TSR son manejados internamente por el microcontrolador y no se tiene acceso a ellos desde el software. El USART cuenta con los siguientes registros: TXSTA: registro de control y estado de transmisión. Bit 7: CSRC: Este bit no se usa en modo asíncrono, en modo síncrono indica si se es maestro o esclavo. Bit 6: TX9: Este bit indica si se van a transmitir 8 bits (0) o 9 bits (1), generalmente en una comunicación con el PC se usan 8 bits, el noveno bit se usa en ocasiones para direccionamiento o paridad. 5

6 6 Bit 5: TXEN: Este bit activa (1) o desactiva (0) el trasmisor. Bit 4: SYNC: Selecciona entre modo síncrono (1) o asíncrono (0), recuerdese que trabajaremos en modo asíncrono. Bit 3: No implementado. Bit 2: BRGH: Este bit controla el generador de baudios, este bit conjuntamente con el registro SPBRG controla los baudios a los cuales trabajará la comunicación. Bit1: TRMT: Este bit es una bandera (solo lectura) que indica si el registro de desplazamiento TSR esta lleno (0) o vacío (1). Puede servir para identificar el fin de una transmisión al colocarse en 1. Bit 0: TX9D: Si se selecciono transmisión a 9 bits acá se escribe el noveno bit a ser transmitido. RCSTA: Registro de control y estado de receptor: Bit 7: SPEN: Habilitador de puerto serial, al colocarlo en 1 habilita los pines RC6 y RC5 para la comunicación serial de resto estos se habilitan como pines de uso general. Bit 6: RX9: Selecciona entre recepción de 8 (0) o 9 bits (1). Bit 5: SREN: No se usa en modo Asíncrono. Bit 4: CREN: Activa el receptor (1) o lo desactiva (0) Bit 3: ADDEN: Se usa para activar un modo especial del usart en el cual se usa el 9 bit para propósitos de direccionamiento, no trabajaremos con este modo por lo tanto este bit lo pondremos en cero. Bit 2: FERR: Esta bandera indica que sucedió un Framing Error, este error sucede cuando el bit de parada no se recibe correctamente. Se libera al leer el RCREG y recibir el siguiente dato válido. Bit 1: OERR: Bandera que indica que sucedió un error de Overrun, sucede cuando se recibe un bit antes de haberse leído el anterior en el registro RCREG lo cual produce que el dato anterior se pierda. Se limpia al poner en cero CREN. Bit 0: RX9D: Noveno dato recibido si esta activada la recepción de 9 bits. 6

7 7 SPBRG: Este registro se utiliza para configurar la velocidad (baudios) a la cual trabajará el puerto, para ello se utiliza también el bit BRGH según el estado de este se usará una de las siguientes fórmulas para obtener el valor a escribir en SPBRG según los baudios deseados: Obsérvese que al ser SPBRG un valor entero no se obtendrá un valor exacto si no que se tendrá un cierto porcentaje de error, generalmente este error es menor si se usa BRGH=1. En la hoja de datos se proporcionan valores ya calculados para distintos baudios y frecuencias de reloj, pueden consultarse estas tablas para evitar la realización del cálculo. RCREG: Registro que guarda el resultado de la recepción. TXREG: Registro en el que se escribe el dato a ser enviado. PIR1, PIE1, INTCON: El módulo USART puede generar interrupciones al recibir o enviar un dato, para ello deben habilitarse los bits TXIE o RCIE (PIE1) para las interrupciones de transmisión o recepción respectivamente, las banderas para dichas interrupciones son TXIF y RCIF, todos estos bits del registro PIR1. Recuérdese habilitar las interrupciones globales (GIE) y las de periféricos (PIE). PASOS PARA REALIZAR UNA COMUNICACIÓN SERIAL: 1. Configurar los registros TXSTA y RCSTA. 2. Configurar los pines RC6 y RC7 como entradas (TRISC6 y 7 en 1) 3. Configurar el registro SPBRG para la velocidad en Baudios, recuerdese configurar a la misma velocidad el Pc y el micro. 4. A partir de este momento pueden realizarse transmisiones y recepciones: a. Transmisión: i. Escribir el dato a ser transmitido en el registro TXREG. ii. Esperar que el bit TMRT se coloque en 1 indicando que la transmisión ha terminado (Registro de desplazamiento vacío). En este momento se está listo para transmitir otro dato. b. Recepción: i. Esperar que el bit RCIF del registro PIR1 se coloque en 1 indicando que se ha recibido un nuevo dato. ii. Leer el dato recibido en el registro RCREG, al hacer esto AUTOMÁTICAMENTE se limpia la bandera RCIF. 7

8 8 Usando interrupciones: La transmisión y la recepción pueden realizarse usando interrupciones, esto permite realizar otros procesos mientras se están enviando o recibiendo datos. La recepción por interrupciones es muy simple, simplemente se espera que ocurra la interrupción se verifica que sea por recepción (RCIF==1) y se lee el dato, al leerlo la bandera automáticamente se coloca en cero y se puede salir de la interrupción. La bandera RCIF NO puede limpiarse manualmente. La transmisión por interrupción es ligeramente diferente. La bandera TXIF se enciende no cuando una transmisión se ha completado si no cuando el dato ha sido traspasado de el registro TXREG al registro de desplazamiento TSR. Esto permite tener un dato En cola mientras el otro se envía, cuando el primer dato se ha enviado el segundo se transfiere al TSR y comienza a enviarse al tiempo que se genera una interrupción para cargar el tercer dato en el TXREG. Téngase en cuenta que al encender el transmisor configurando el bit TXEN se generará una interrupción indicando que el TXREG está vacío y esperando datos, dentro de esta interrupción puede colocarse el primer dato a enviar. Cuando vuelva a generarse la interrupción la única forma de limpiar la bandera es escribir un nuevo dato a TXREG, si no desean enviarse más datos deben deshabilitarse la interrupción por recepción para evitar que la bandera mantenga al micro en interrupción constante. La bandera TXIF solo puede ser limpiada al escribir a TXREG, NO puede limpiarse manualmente. CODIFICACIÓN: A continuación desarrollaremos un código que recoge un dato del PC, luego lo visualiza en el LCD y lo reenvía nuevamente al PC. La comunicación en el PC se realiza por medio del programa Hiperterminal que viene incluido en el Windows, personas con conocimientos en programación de computadores pueden desarrollar software para comunicarse por el puerto serial y realizar interfaces específicamente diseñadas para la recolección y envío de datos para un proceso particular. Al iniciar el hiperterminal se debe configurar la salida por el puerto serial (Generalmente COM1) luego se debe configurar la velocidad de transmisión a la misma velocidad elegida en el micro, el número de bits de datos debe ser 8 (o 9 si así se eligió en el micro) se debe trabajar con un solo bit de parada y sin control de flujo. (esto se explica en el anexo 1) A continuación se detalla el código obtenido, nótese que como la transmisión serial envía los caracteres en código ASCII no es necesario 8

9 9 realizar conversiones para enviarlos al LCD. Es de aclarar que este codigo no esta realizando comunicación serial por interrupciones sino por polling (Polling en computación hace referencia a una operación de consulta constante, generalmente hacia un dispositivo de hardware, en este caso RCIF==0 y TRMT==0, tal como se realizo en el tutorial de conversion analogo a digital) #include <pic.h> #include "delay.h" #include "lcd.h" unsigned char contador=0; unsigned char frase[ ]="Dato recibido:"; void main (void) { TRISC=0b ; TXSTA=0b ; RCSTA=0b ; SPBRG=25; lcd_init(); lcd_clear(); lcd_puts(frase); lcd_goto(0x40); //Puerto C es salidas LCD //Habilito puerto serial //Tanto tranmsmisor como receptor //Configuro velocidad de 9600baudios //A 4Mhz y con BRGH=1. //Inicializo el LCD. //Limpio el LCD. //Mensaje de bienvenida. } while(1) { } while(rcif==0) { //Espero recepción de dato } contador++; if(contador==15) { //Incremento contador de datos contador=0; //Prevengo llenado de la linea del LCD lcd_goto(0x40); } lcd_putch(rcreg); //Al recibir dato lo envio al LCD. TXREG=RCREG; //Inicio el reenvio del dato recibido. while(trmt==0) { //Espero fin de transmisión. } 9

10 10 Diagrama de conexiones: Para comunicacionserial se utiliza el chip MAX232, que sirve de interface entre los voltajes del computador y el micro, aquí se presenta la forma de conectar dichi integrado y un pic 16F877A, similarmente es para el 16F887, en la pagina siguiente se muestra el circuito de la simulacion en proteus Para la simulacion en proteus se debe tener en cuenta varias cosas: 1- Simulamos un computador con el dispositivo Terminal Virtual en proteus se denomina VTERM, este dispositivo se debe configurar con las mismas caracteristicas de la comunicación serial del microcontrolador, es decir baudios, 1 bit de inicio, 8 bit de datos, 1 bit de parada, sin paridad, sin control de flujo ( Xon-Xoff) 10

11 11 2- En el circuito en proteus, no se coloca el max232, ya q no permite el funcionamiento adecuadamente, simplemente montan el ciruito directo como en la siguiente grafica 3- Luego inician la simulacion en proteus (PLAY), y abren la terminal virtual, dando clic derecho sobre ella, y seleccionando la ultima opcion denominada Virtual Terminal - VT1 11

12 12 4- Ya con la pantalla de la terminal virtual abierta, damos clic derecho sobre ella y habilitamos el eco sobre los caracteres que pulsemos en el teclado del computador, tal como la siguiente grafica, esto sirve para visualizar en la terminal local los caracteres q estamos enviando al microcontrolador por comunicación serial 5- Finalmente, probamos el funsionamiento del circuito pulsando diferentes teclas, estas se veran en pantalla, se enviaran al micro, el cual las miestra por LCD y las reenvia al computador, por lo q en pantalla se vera 2 veces el mismo carácter, y si le quiten el eco se vera 1 vez. 12

13 13 6- tambien pueden hacer otras pruebas, teclear un carácter y en el micro sumarle 1 para devolver otro ascii diferente TXREG=RCREG+1; 13

14 14 Anexo 1: CONFIGURACION DEL HYPERTERMINAL DE WINDOWS Abrimos el hyperterminal ubicado en accesorios. Es posible q no lo encuentren en su PC ya q se debio instalar con el windows, pero no siempre se hace. Entonces lo pueden bajar de internet, este mismo u otro software similar. Luego, lo abrimos, hacemos una nueva conexión, le colocamos un nombre y seleccionamos un icono Luego seleccionamos el puerto de comunicación a utilizar, generalmente es el COM1 14

15 15 Y configuramos con las mismas caracteristicas de la comunicación serial del microcontrolador, es decir baudios, 1 bit de inicio, 8 bit de datos, 1 bit de parada, sin paridad, sin control de flujo ( Xon- Xoff) 15

16 16 Y queda listo la conexión por Hyperterminal para ser utilizada. 16