José Luis Rivera Guzmán CECyT No.1 Gonzalo Vázquez Vela Abstract. 1. Introducción

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1 Placa a base de un microcontrolador PIC16F887 generadora de una señal de video bajo el estándar NTSC RS-170 para utilizar un televisor como periférico de salida en diferentes proyectos José Luis Rivera Guzmán CECyT No.1 Gonzalo Vázquez Vela luis_ @hotmail.com Abstract This paper presents the design of generating video board supports the standard NTSC RS-170, this board has a communication protocol of the author's own design for communication with other microcontrollers and thus users project developers have the possibility to use a TV as a display in their projects. En este articulo se presenta el diseño de una placa generadora de video compatible con el estándar NTSC RS-170, la cual cuenta con un protocolo de comunicación de diseño propio del autor para la comunicación con otros microcontroladores y de esta manera los usuarios desarrolladores de proyectos tengan la posibilidad usar un televisor como visualizador en sus proyectos. 1. Introducción En la actualidad, el desarrollo de proyectos a base de microcontroladores ha aumentado radicalmente desde la enseñanza de éstos en los institutos. Es una gran variedad de proyectos los que se pueden encontrar, y la mayor parte cuenta con transductores de entrada y salida. Como transductores de salida se suelen utilizar visualizadores que van desde un simple LED hasta una LCD. Así como existe diversidad de proyectos también se encuentra disponible una amplia variedad de visualizadores para los mismos, LED s, display s de segmentos, LCD s, matrices, entre otros. Los visualizadores mencionados anteriormente cuentan con ciertas características únicas que los hacen ideales para ciertos proyectos. Por ejemplo, no es lo mismo utilizar una LCD de 16X2, a un display de 7 segmentos si se requiere realizar un contador del 0 al 9. Además a esto le sumariamos el diferente costo que tienen estos visualizadores. Los display s de 7 segmentos son de bajo costo pero solo son viables para mostrar números y unos cuantos caracteres, en cambio, una LCD puede desplegar una gran variedad de caracteres alfanuméricos pero el costo de este dispositivo suele ser alto. Hasta aquí he presentado algunos visualizadores muy comunes en proyectos a base de microcontroladores, pero no he mencionado uno que está presente en casi todos los hogares y al alcance de todo desarrollador de proyectos, el televisor. Este dispositivo es un visualizador con potencial que debería ser utilizado en proyectos, además de que es muy fácil de conseguirlo, es porque los hay de diferentes tamaños y son ideales para proyectos que requieren mostrar información que sea visible perfectamente a una distancia o un numero de usuarios considerable. Existen proyectos que ya han sido capaces de generar una señal de video, un trabajo de este tipo es del autor Rickard Gunee, quién desarrolló una consola de videojuegos a base de un microcontrolador PIC16F84. La consola cuenta con dos entradas para jostick de tipo C64/Amiga/Atari. La señal de video se genera mediante un convertidor digital-analogio (DAC) de dos bits y es compatible con los sistemas NTSC y PAL. Los videojuegos que ha desarrollado para esta consola son el tetris y el pong. A partir del trabajo de Rickard Gunée, otros autores desarrollaron proyectos similares, ejemplo de ello es el proyecto que realizaron tres estudiantes de la Facultad de ESIDE (Universidad de Deusto), el cual es otra consola que utiliza un PIC16F876 con los juegos snake y space. Otro ejemplo es la tesis de titulación de dos alumnos de la ESIME 1

2 Unidad Culhuacán, la cual es un generador de patrones de video mediante el uso de un microcontrolador. Los proyectos anteriores generan la señal de video en el microcontrolador que usan pero también hacen las rutinas necesarias para la aplicación que se requiere por lo cual solo pueden generar la señal de video especifica para su proyecto. Por las razones anteriores, en este artículo se presenta el diseño y la implementación de una placa a base un microcontrolador generadora de una señal de video que mediante un protocolo de comunicación diseñado por el autor tiene la capacidad de ser la interfaz entre un proyecto y el televisor para que éste último pueda desplegar caracteres o gráficos, por consiguiente, hacer del televisor un visualizador y un periférico de salida más disponible para los usuarios que desarrollan proyectos con microcontroladores. 2. Características de la placa generadora de video La placa generadora de video está conformada principalmente por un microcontrolador PIC16F887, cuenta con una entrada de alimentación de 5V a 12V, conector ICSP (In Circuit Serial Programming), conector para comunicación con otro microcontrolador y una salida de señal de video mediante un conector RCA. Los componentes de la placa se describen a continuación: además de sus características técnicas que se enunciaran a continuación: Arquitectura RISC (35 instrucciones). Frecuencia de operación 0-20 MHz. 35 pines de entrada/salida. Memoria ROM de 8K con tecnología FLASH. Opción de programación serial en el circuito. Voltaje de alimentación de 2V a 5.5V Entrada de alimentación de 5V a 12V La placa puede ser alimentada por cualquier fuente que suministre de 5V hasta 12V en corriente directa, ya que cuenta con un regulador de voltaje 7805 que estabiliza el voltaje a 5V Conector ICSP Este tipo de conector permite la conexión de un programador por si se requiere reprogramar el microcontrolador sin necesidad de tener que retirar el chip de su zocalo y evitando de esta manera el deterioro del mismo. Figura 2. Diagrama del conector ICSP Figura 1. Vista superior de la placa generadora de video 2.1. PIC16F887 El microcontrolador utilizado es un PIC16F887 de la marca Microchip. Este microcontrolador fue elegido por su bajo costo para este proyecto 2.4. Conector para comunicación con otro microcontrolador Este tipo de conector permite la conexión entre el microcontrolador de la placa generadora de video con otro microcontrolador. A continuación se explican los pines que componen este conector: 2

3 D0-D7: Reciben una palabra de 8 bits GO: Es el bit que inicia la comunicación entre los microcontroladores. DATF: Es el bit que funciona como bandera para la recepción de las palabras. VDD-VSS: Provee una alimentación de 5V. Tabla 1. Características técnicas del estándar NTSC RS-170 Característica técnica Valor Frecuencia Barrido Vertical 59.9 Hz Tiempo de Barrido Vertical (Transmisión de media ms imagen) Tiempo de retorno haz (vertical) ms Frecuencia de Barrido Horizontal KHz Tiempo de Barrido Horizontal (Transmisión de 1 fila) µs Tiempo de retorno haz (horizontal) µs Número total de líneas 525 Número de líneas visibles 485 Por el motivo de tiempo, es importante mencionar que el microcontrolador trabaja a su máxima frecuencia de 20 MHZ. Para lograr la frecuencia vertical, se hace uso de la interrupción por desbordamiento del TIMER1 del microcontrolador. Con lo cual se crean los campos de imagen. En el tiempo de barrido horizontal se rotan bits en el puerto B y se cambia el estado del bit RE0 para que mediante el convertidor digital-analógico de dos bits se obtengan diferentes valores de tensión. El DAC de dos bits solo puede tener cuatro estados y por lo tanto 4 niveles de tensión diferentes que son los que componen la señal de video. Figura 3. Diagrama del conector para comunicación con otro microcontrolador 2.5. Conector RCA para la salida de la señal de video Este conector proporciona la señal de video, por medio de un cable RCA macho-macho se puede conectar la placa generadora de video a la entrada de video compuesto de un televisor. 3. Generación de la señal de video La señal de video generada es monocromática bajo el estándar NTSC RS-170 con las siguientes características: Tabla 2. Convertidor Digital-Analógico Valor digital Valor Analogico Nivel 00 0V Sincronía V Negro V Gris 11 1V Blanco La pantalla del televisor se divide en 7X4 y cada cuadro puede formar un carácter. Los caracteres están guardados en una tabla en la memoria del microcontrolador. Por lo tanto se pueden mostrar en un campo de imagen 28 caracteres, cada cuadro de la pantalla tiene asignado un registro el cual según su valor mostrará un carácter que este almacenado en la tabla. 3

4 4. Protocolo de comunicación Para la comunicación entre los dos microcontroladores se hace uso de un protocolo de desarrollo propio. Cuando el microcontrolador de la placa generadora de video es alimentado, éste configura sus puertos, realiza un retardo de 20 ms para dar tiempo a que el otro microcontrolador comience a trabajar y posteriormente habilita la interrupción por desbordamiento del TIMER1. En el programa principal el bit GO se pone en uno lo cual hace que el microcontrolador del proyecto a conectar al televisor se interrumpa por cambio de estado de RB0 para comenzar la comunicación. El microcontrolador de la placa recibe valores de 8 bits por parte del otro microcontrolador y los almacena en 28 registros (que son los cuadros que se muestran en un campo en la pantalla del televisor) por medio de direccionamiento indirecto. La recepción de datos la hace usando el bit DATF como bandera y los D0-D7 como bits de recepción. Cuando la comunicación se ha completado, el bit GO se pone en cero y hasta que se desborda el TIMER1, atiende el vector de interrupción y comienza la generación de la señal de video con los registros almacenados. Primero genera pulsos de sincronía largos y después cortos para que el televisor comience un nuevo campo de imagen. Terminando de generar el campo se envían pulsos de sincronía cortos para que el televisor finalice el campo. El microcontrolador vuelve al programa principal para iniciar de nuevo la comunicación y almacenar de nuevo los registros. Por consiguiente se necesitan 10 pines del microcontrolador en el que se desarrolla el proyecto. Además es recomendable que éste trabaje a 20 MHz para lograr la sincronización entre los microcontroladores. Un ejemplo de proyecto que se ha conectado al televisor es un reloj ajustable en horas, minutos y segundos. Este proyecto fue desarrollado a base de un PIC16F628A. A continuación se muestra una imagen de la pantalla del televisor. Figura 4. Pantalla del televisor del proyecto de un reloj ajustable con un PIC16F628A Otro proyecto que se ha conectado al televisor es un termómetro desarrollado con un PIC16F887 utilizando un LM35 como sensor y el convertidor analógico-digital (ADC) del microcontrolador mencionado. A continuación se muestra la imagen de la pantalla del televisor. 5. Proyectos desarrollados que utilizan la placa generadora de video Los usuarios desarrolladores de proyectos a base de micrcontroladores pueden mostrar caracteres o gráficos en el televisor adoptando el protocolo de comunicación de la placa generadora de video. En el programa a desarrollar se necesita incluir una interrupción por cambio de estado en RB0 y dentro de la misma mover los registros que indican los cuadros en pantalla a los puertos por medio de direccionamiento indirecto, para lo cual se utiliza la bandera DATF. El código que logra la comunicación por ahora se encuentra en ensamblador disponible para cualquier usuario que quiera conectar un televisor a su proyecto Figura 5. Pantalla del televisor del proyecto de un termómetro con un PIC16F887 4

5 6. Conclusiones En este artículo se presentó una placa generadora de video a base de un microcontrolador PIC16F887, la cual es de bajo costo y cuenta con un protocolo de comunicación con otros microcontroladores para que los usuarios tengan la posibilidad de utilizar el televisor como un periférico de salida (Visualizador). Cabe mencionar, que la señal que genera la placa de video es bajo el estándar NTSC RS-170, por lo cual es aceptada por cualquier dispositivo de video, es decir, no solamente puede ser mostrada en un televisor sin importar el tipo (TRC, LCD, plasma) si no también puede ser mostrada en un proyector por ejemplo. Como consideraciones futuras se puede mencionar que se podría mejorar la resolución y aumentar los cuadros de caracteres. Además haciendo uso de otro microcontrolador como los AVR o de un hardware más extenso en conjunto con el microcontrolador PIC se podría generar una señal de video compatible con el estándar NTSC RS-170A que es para una señal de video a color. 7. Referencias [1] Rickard Gunée. 2 de mayo de 2003, Rickard s electronic proyects page-pic Game System, 5 de abril de 2012, ys.php [2] AntxonUson, Kerman Ispizua, Antonio Fernández, Susana Romero, José Mª. Angulo. La vuelta de los clásicos videojuegos, Publicación, Revista española de electrónica, Barcelona, España, 22 de enero de 2002, pp. 2-4 [3] Alejandro Valdespino, Sebastián Gutiérrez. Generador de patrones de video mediante el uso de un microcontrolador, Tesis, ESIME Unidad Culhuacán del Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, D.F., 20 de noviembre de [4] Silverio Candela, Josep Ferri, Javier García. Julio de 2006, VideoJuegoPic, 5 de abril de 2012, [5] TusElectronicos. 22 de febrero de 2010, Generar señales de video para televisión, 5 de abril de 2012, mainmenu-45/21-tecnologaplicada-a-la-imagen/113- generar-senales-de-video-para-television [6] Foros de electrónica. 23 de julio de 2008, Generar una señal de video NTSC usando un PIC, 5 de abril de 2012, [7] Microchip. 2007, Datasheet del PIC16F887, 5 de abril de 2012, 291D.pdf 8. Biografía José Luis Rivera Guzmán Nació en la ciudad de Arandas, Jalisco en En 2012, se graduó como Técnico en Sistemas Digitales del Centro de Estudios Científicos y Tecnológicos No.1 Gonzalo Vázquez Vela (CECyT No.1-IPN). Ha sido participante en varios encuentros académicos y tecnológicos. En el 2006 formó parte de la excelencia Jalisco En el 2008 obtuvo el primer lugar en el concurso de electrónica en el Encuentro Estatal de Evaluación Académica, Tecnológica y Cultural de Escuelas Secundarias Técnicas. En el 2009 desarrolló el prototipo Red de Escuelas Secundarias Técnicas para el Siglo XXI (REDESTEC XXI) con el cual obtuvo el primer lugar en el concurso de innovación tecnológica en el Encuentro Regional de Evaluación Académica, Tecnológica y Cultural de Escuelas Secundarias Técnicas. Durante sus estudios de media superior participó en varios encuentros académicos interpolitécnicos resultando ganador del cuarto lugar en el interpolitécnico de Computación Básica I y del tercer lugar en el interpolitécnico de física II. También ha formado parte de programas de investigación como lo es el programa Delfín y actualmente es alumno PIFI. Sus investigaciones se enfocan en mecatrónica, electrónica digital y analógica. 5