SEM299Atmel Arduino

Portada:Maquetación 1 11/9/15 14:03 Página 1

2ª forros.qxd:Maquetación 1 15/01/14 12:46 Página 1

SUMARIO sem299.qxd:*SUMARIO 274 11/9/15 14:18 Página 1

Año 26 - Nº 299 23 de AGOSTO 2015

Vea Vea en en Internet Internet elel primer primer portal portal de de electrónica electrónica interactivo. interactivo. Visítenos Visítenos en en la la web, web, yy obtenga obtenga información información gratis gratis ee innumerables innumerables beneficios. beneficios.

www.webelectronica.com.MX www.webelectronica.com.ar SeCCIONeS FIJAS descarga de Cd: Todo Sobre Fuentes Conmutadas

16

ArTÍCulO de TApA Montaje de una placa ArduINO para puerto Serial y uSB

3

KIT ArduINO onBOArd ATMeGA 328. Construyendo un Arduino Sobre un protoboard

67

CurSO de eleCTrÓNICA etapa 5, lección 1: Técnico de electrónica y Microcontroladores

17

¿Qué son los Microcontroladores?

20

MANuAleS TÉCNICOS Generalidades y Características de los Microcontroladores Atmel

33

MONTAJeS Vúmetros. Instrumentos Medidores de potencia

49

Controles de Sonoridad

53

detector de electricidad estática

57

eleCTrÓNICA del AuTOMÓVIl Más Sensores de posición del Sistema electrónico de Control del motor

59

TeCNOlOGÍA de puNTA evolución de la Telefonía Celular

77

editorial SEM299.qxd:Edit 11/9/15 14:13 Página 2

EDI­CIÓN­INTERNACIONAL­-­Nº­299

Del Director Al lector

Di­rec­tor­ Ing. Horacio D. Vallejo Pro­duc­ción José María Nieves (Grupo Quark SRL)

Falta un Pasito… Bien, amigos de Saber Electrónica, nos encontramos nuevamente en las páginas de nuestra revista predilecta para compartir las novedades del mundo de la electrónica. Hemos cumplido 28 años de edición de nuestra querida revista y nos sentimos orgullosos de haber conseguido este logro, sobre todo porque hace más de un año que no podemos imprimir en papel cada edición y, de todos modos, Ud. nos ha honrado adquiriendo un ejemplar ya circulado como el que tiene en estos momentos en sus manos. Ya llegamos a más de 13.000 descargas de nuestra revista en formato digital (es gratuita para socios del Club SE), sin embargo, muchos lectores aún prefieren contar con la edición impresa de Saber Electrónica y por ello seguimos trabajando para “normalizar la edición impresa en papel”. Nos falta un pasito… Una vez más les comento que no sólo el sector de distribución de Capital Federal y Gran Buenos Aires (en Argentina) está atrasado en los pagos, sino que la Distribuidora Bertrán (que es parte del mismo grupo que integran Editorial Atlántida y Editorial Televisa) no nos paga lo que nos debe desde hace más de un año... Si, pese a que Saber Electrónica es una revista EDUCATIVA sin subsidio de ningún tipo, y que está vigente desde hace casi 3 décadas, NO PUEDE SER IMPRESA debido a que las autoridades de otros grupos editoriales dicen que no nos pagan por problemas comerciales, mientras ellos siguen editando sus publicaciones ¿no es una ironía? Eso no es todo… en México “PERNAS nunca más nos ha pagado y su titular, “Jesús Pernas”, se conduce en un carro que cuesta más de 4 millones de pesos, pero dice estar mal y a punto de la quiebra… Sabemos los tiempos de la justicia son lentos… por lo tanto, para poder seguir “vivos”, como todos los meses, le brindamos la oportunidad de descargar GRATIS la edición digital de Saber Electrónica correspondiente a este mes y los siguientes productos: Paquetes Educativos: 500 Fallas y Soluciones en Receptores de TV y 500 Fallas y Soluciones en Equipos de Audio Para realizar la descarga diríjase a nuestra web: www.webelectronica.com.ar, ingrese en la web, haga clic en el ícono password y coloque la clave dada en el VALE que acompaña a esta edición. Recuerde que seguiremos trabajando para que pueda “comprar la revista en papel” y también descargarla SIN CARGO desde nuestra web. Bien, ya tiene material para todo el mes así que: ¡A disfrutarlo! ¡Hasta el mes próximo!

Ing. Horacio D. Vallejo

Co­lum­nis­tas: Federico Prado Luis Horacio Rodríguez Peter Parker Juan Pablo Matute Internacionales: Ing. Ismael Cervantes de Anda

EdItorIal QUarK S.r.l. Propietaria de los derechos de la publicación mensual SabEr ElEctronIca San Ricardo 2072 (1273) , Bs. As., Argentina T.E. 4301-8804 Ad­mi­nis­tra­ción­y­Ne­go­cios Teresa C. Jara (Grupo Quark SRL) Patricia Rivero Rivero (SISA SA de CV) Margarita Rivero Rivero (SISA SA de CV) Staff Liliana Teresa Vallejo Diego Vallejo Luis Alberto Castro Regalado (SISA SA de CV) José Luis Paredes Flores (SISA SA de CV) Sistemas: Paula Mariana Vidal Red y Computadoras: Raúl Romero Video y Animaciones: Fernando Fernández Legales: Fernando Flores Contaduría: Fernando Ducach Técnica y Desarrollo de Prototipos: Alfredo Armando Flores Aten­ción­al­Clien­te Alejandro Vallejo [email protected] Publicidad: Rafael Morales [email protected] Club­SE:­ Grupo Quark SRL [email protected] Edi­to­rial­Quark­SRL San Ricardo 2072 (1273) - Capital Federal - Argentina www.webelectronica.com.ar

La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las notas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entrañan responsabilidad de nuestra parte. Está prohibida la reproducción total o parcial del material contenido en esta revista, así como la industrialización y/o comercialización de los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorización por escrito de la Editorial.

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 3

A r t í c u lo

de

t A pA

Montaje de una Placa

aRduIno PaRa PueRto SeRIal y uSB

Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos. Las placas se pueden ensamblar a mano, comprarlas pre-ensambladas o listas para usar; el software se puede descargar gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware (archivos CAD) están disponibles bajo licencia open-source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus necesidades. Arduino puede “sentir” el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se programa usando el “Arduino Programming Language” (basado en Wiring) y el “Arduino Development Environment” (basado en Processing). Los proyectos de Arduino pueden ser autónomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.). En esta edición explicaremos cómo montar su propia placa ARDUINO.

Autor: Federico Prado - e-mail: [email protected]

Proyectos Electrónicos

3

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 4

Artículo de tapa ¿Por

qué

ArDuINo?

Hay muchos otros microcontroladores y plataformas microcontroladoras disponibles para computación física. Parallax Basic Stamp, Netmedia's BX-24, Phidgets, MIT's Handyboard, y muchas otras ofertas de funcionalidad similar. Todas estas herramientas toman los desordenados detalles de la programación de microcontrolador y la encierran en un paquete fácil de usar. Arduino también simplifica el proceso de trabajo con microcontroladores, pero ofrece algunas ventajas para profesores, estudiantes y aficionados interesados sobre otros sistemas: Barato: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas con otras plataformas microcontroladoras. La versión menos cara del módulo Arduino puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino pre-ensamblados cuestan menos de 40 dólares americanos. Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas microcontroladores están limitados a Windows. Entorno de programación simple y claro: El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes, pero suficientemente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Para profesores, está convenientemente basado en el entorno de programación Processing, de manera que estudiantes aprendiendo a programar en ese entorno estarán familiarizados con el aspecto y la imagen de Arduino.

ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que diseñadores experimentados de circuitos pueden hacer su propia versión del módulo, extendiéndolo y mejorándolo. Incluso usuarios relativamente inexpertos pueden construir la versión de la placa del módulo para entender como funciona y ahorrar dinero.

LAs PLACAs ArDuINo Hay múltiples versiones de la placa Arduino. La mayoría usan el ATmega168 o el ATmega 328 de Atmel, mientras que las placas más antiguas usan el ATmega8. Nota: Los diseños de referencia para Arduino se distribuyen bajo licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5. Vamos a hacer una breve descripción de cada una de las placas más comunes bajo la plataforma ARDUINO. Diecimila: Esta es la placa Arduino más popular, figura 1. Se conecta al ordenador con un cable estándar USB y contiene todo lo que necesitas para programar y usar la placa. Hay una gran variedad de estas placas y, en general, son de doble faz, como la ARDUINO UNO. Nano: Una placa compacta diseñada para uso como tabla de pruebas, el Nano se conecta al ordenador usando un cable USB Mini-B, figura 2.

Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramienta de código abierto, disponible para extensión por programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerías C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en tus programas Arduino si quieres. Código abierto y hardware extensible: El Arduino está basado en microcontroladores

4

Microcontroladores

Figura 1 – Arduino Diecimila.

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 5

Montaje de una placa ArduINo LilyPad: Diseñada para “aplicaciones listas para llevar”, esta placa puede ser conectada en fábrica para múltiples aplicaciones, figura 4. Mini: Esta es la placa más pequeña de Arduino, figura 5. Trabaja bien en tabla de pruebas o para aplicaciones en las que prima el espacio. Se conecta al ordenador usando el cable Mini USB.

Figura 2 - Arduino Nano.

Bluetooth: El Arduino BT contiene un modulo bluetooth que permite comunicación y programación sin cables, figura 3. Es compatible con los dispositivos Arduino.

Figura 5 - Arduino Mini.

serial: Es una placa básica que usa RS232 como un interfaz con el ordenador para programación y comunicación, figura 6. Esta placa es fácil de ensamblar incluso como ejercicio de aprendizaje.

Figura 3 - Arduino Bluetooth.

Figura 6 - Arduino serial.

serial single sided: Esta placa está diseñada para ser grabada y ensamblada a mano, figura 7. Es ligeramente más grande que la Diecimila, pero aun compatible con los dispositivos.

Figura 4 Arduino Lilly-Pad.

De más está decir que las mencionadas son las placas más comunes y que en el mercado existe una extensa lista de variantes.

Proyectos Electrónicos

5

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 6

Artículo de tapa

Figura 7 - Arduino serie de una sóla capa.

ArDuINo DIECIMILA

desde un adaptador AC-a-DC (wall-wart) o desde una batería. El adaptador puede ser conectado mediante un enchufe centro-positivo en el conector de alimentación de la placa. Los cables de la batería pueden insertarse en las cabeceras de los pines Gnd y Vin del conector POWER. Un regulador de bajo abandono proporciona eficiencia energética mejorada. La placa puede operar con un suministro externo de 6 a 20 volt. Si es suministrada con menos de 7V, sin embargo, el pin de 5V puede suministrar menos de cinco voltios y la placa podría ser inestable. Si usa más de 12V, el regulador de tensión puede sobrecalentarse y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12 volt. Los pines de alimentación son los siguientes:

El Arduino Diecimila es una placa microcontroVIN. La entrada de tensión a la placa Arduino ladora basada en el ATmega168. Tiene 14 pines de cuando está usando una fuente de alimentación entrada/salida digital (de los cuales 6 pueden ser externa (al contrario de los 5 voltios de la conexión usados como salidas PWM), 6 entradas analógi- USB u otra fuente de alimentaciónregulada). cas, un oscilador de cuarzo a 16MHz, una conexión Puedes suministrar tensión a través de este pin, o, USB, un conector para alimentación, una cabecera si suministra tensión a través ICSP, y un botón de reset. Contiene todo lo necedel conector de alimentación, acceder a él a sario para soportar el microcontrolador; simple- través de este pin. mente conéctelo a una computadora con un cable USB o enchúfelo con un adaptador AC/DC o 5V. El suministro regulado de energía usado batería para comenzar. para alimentar al microcontrolador y otros compoDiecimila quiere decir 10000 en italiano y fue lla- nentes de la placa. Este puede venir o desde VIN a mado así para resaltar el hecho de que más de través de un regulador en la placa, o ser sumin10000 placas Arduino han sido fabricadas. istrado por USB u otro suministro regulado de 5 V. En la tabla 1 se pueden apreciar las principales características de esta versión. 3V3. Un suministro de 3.3V generado por el chip El Arduino Diecimila puede ser alimentado a FTDI de la placa. La corriente máxima es de 50 través de la conexión USB o con un suministro de mA. energía externo. La fuente de energía se selecciona mediante el jumper PWR_SEL: para alimenGND. Pines de Tierra. tar a la placa desde la conexión USB, colocarlo en los dos pines más cercanos al conector USB, para un suministro de energía externo, en los dos pines más cercanos al conector de alimentación externa. La alimentación externa (no USB) Tabla 1 - Principales características de la placa ArDuINo Diecimilla. puede venir o

6

Microcontroladores

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 7

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 8

Artículo de tapa LA MEMorIA DEL ATMEL El ATmega168 tiene 16 KB de memoria Flash para almacenar código (de los cuales 2 KB se usa para el “bootloader”). Tiene 1 KB de SRAM y 512 bytes de EEPROM (que puede ser leída y escrita con la librería EEPROM1).

ENTrADAs y sALIDAs Cada uno de los 14 pines digitales del Diecimila puede ser usado como entrada o salida, usando funciones pinMode(), digitalWrite() y digitalRead(). Operan a 5 volt. Cada pin puede proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una resistencia interna “pull-up” (desconectada por defecto) de 20 a 50kΩ. Además, algunos pines tienen funciones especiales, como ser: Serial: 0 (Rx) y 1 (Tx). Usados para recibir (Rx) y transmitir (Tx) datos TTL en serie. Estos pines estan conectados a los pines correspondientes del chip FTDI USB-a-TTL Serie. Interruptores externos: 2 y 3. Estos pines pueden ser cofigurados para disparar un interruptor en un valor bajo, un margen creciente o decreciente, o un cambio de valor. Vea la función attachInterrupt(). PWM: 3, 5, 6, 9, 10 y 11. Proporcionan salida PWM de 8 bits con la función analogWrite(). SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan comunicación SPI, la cual, aunque proporcionada por el hardware subyacente, no está actualmente incluida en el lenguaje Arduino. LED: 13. En la placa hay un LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin está a valor HIGH, el LED está encendido, cuando el pin está a LOW, está apagado. El Diecimila tiene 6 entradas analógicas, cada una de las cuales proporciona 10 bits de resolución (por ejemplo 1024 valores diferentes). Por defecto miden 5 voltios desde tierra, aunque es posible cambiar el valor más alto de su rango usando el pin ARF y algún código de bajo nivel. Además, algunos pines tienen funcionalidad especializada:

8

Microcontroladores

I2C: 4 (SDA) y 5 (SCL). Soportan comunicación I2C (TWI) usando la librería Wire. Hay otro par de pines en la placa: AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Usado con la instrucción analogReference(). Reset. Pone esta línea a LOW para resetear el microcontrolador. Típicamente usada para añadir un botón de reset a dispositivos que bloquean a la placa principal.

CoMuNICACIóN El Arduino Diecimila tiene un número de infraestructuras para comunicarse con un ordenador, con otro Arduino, u otros microcontroladores. El ATmega168 provee comunicación serie UART TTL (5V), la cual está disponible en los pines digitales 0 (Rx) y 1 (Tx). Un FTDI FT232RL en la placa canaliza esta comunicación serie al USB y los drivers FTDI (incluidos con el software Arduino) proporcionan un puerto de comunicación virtual al software del ordenador. El software Arduino incluye un monitor serie que permite a datos de texto simple ser enviados a y desde la placa Arduino. Una librería SoftwareSerial permite comunicación serie en cualquiera de los pines digitales del Diecimila. El ATmega168 también soporta comunicación I2C (TWI) y SPI. El software Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso del bus 12C8. Para usar la comunicación SPI, consulte el diagrama de pines del ATmega168.

ProgrAMACIóN El Arduino Diecimila puede ser programado con el software IDE Arduino. El ATmega168 del Arduino Diecimila viene con un bootloader pregrabado que te permite subirle nuevo código sin usar un hardware programador externo. Se comunica usando el protocolo original STK500. También puede o usar el bootloader y programar el ATmega168 a través de la estructura ICSP(In-Circuit Serial Programming).

Micro - Curso Micro 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 17/01/14 09:59 Página 56

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 10

Artículo de tapa rEsETEo AuToMáTICo (soFTwArE) En lugar de tener que pulsar un botón de reset antes de programar algún código, el Arduino Diecimila está diseñado de forma que permite ser reseteado por software cuando se conecta la placa a una computadora. Una de las líneas de control de flujo de hardware (DTR) del FT232RL está conectada a la línea de reset del ATmega168 a través de un condensador de 100nF. Cuando esta línea toma el valor LOW, la línea reset se mantiene el tiempo suficiente para resetear el chip. La versión 0009 del software Arduino usa esta capacidad para permitir la carga de un código simplemente presionando el botón upload en el entorno Arduino. Esto significa que el bootloader puede tener un tiempo de espera más corto, mientras la bajada del DTR puede ser coordinada correctamente con el comienzo de la subida. Esta configuración tiene otras repercusiones. Cuando el Diecimila está conectado a una computadora con sistema operativo Mac OS X o Linux, se resetea cada vez que se hace una conexión a él por software (a través de USB). Durante el siguiente medio segundo aproximadamente, el bootloader se ejecutará en el Diecimila. Mientras esté programado para ignorar datos “malformados” (por

ejemplo, cualquiera excepto una subida de código nuevo), interceptará los primeros bytes de datos enviados a la placa después de abrir la conexión. Si una rutina que se ejecuta en la placa recibe una configuración una vez u otros datos cuando empieza, asegurarse de que el software con el que se comunica espera un segundo después de abrir la conexión y antes de enviar estos datos.

ProTECCIóN

DE

soBrECArgA DEL usB

El Arduino Diecimila tiene un fusible reseteable que protege los puertos USB de las computadoras, contra cortes y sobrecargas. Aunque la mayoría de las computadoras proporcionan su propia protección interna, el fusible entrega una capa de protección extra. Si más de 500mA se aplican al puerto USB, el fusible automáticamente romperá la conexión hasta que el corte o la sobrecarga sean eliminados.

MoNTAjE

DE LA

PLACA ArDuNIo sErIAL y usB

Proponemos el armado de una placa Arduino, denominada “Severiano S3v3”, que puede ser

Figura 8 - Vista ampliada de la placa ArDuINo que vamos a montar, con detalles de las partes.

10

Microcontroladores

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 11

Montaje de una placa ArduINo montada en una placa de circuito impreso de una sola cara (tal como la mostrada en la figura 7) y que puede emplearse con puerto USB mediante el empleo de un adaptador USB a RS232 convencional. Obviamente, el ATmega que empleemos debe tener grabado el bootloader para que pueda trabajar con el IDE de Arduino (tal como explicamos en la edición anterior). También explicaremos cómo hacer dicho proceso. En la figura 9 podemos observar una vista “ampliada” de la placa en la que se destacan las siguientes partes: X1: Conector serie DE -9 Se utiliza para conectar la placa a la computadora (u otros dispositivos) mediante un puerto RS 232 estándar o puerto COM (DB9). Necesita un cable serie, con un mínimo de 4 pines conectados: los terminales 2, 3, 4 y 5. Funciona sólo cuando JP0 se establece en la posición 2 - 3. DC1: Conector de Alimentación de 2,1mm Se utiliza para conectar la fuente de alimentación externa (con entro positivo). Funciona con una tensión regulada de corriente continua de +7V a +20V (se recomienda de 9V a 12V). También es posible conectar una tensión externa de 5V al pin correspondiente (ver PINOUT POWER) ICsP: Header 2 x3 Se utiliza para programar el ATmega con bootloader . El número 1 en ambos lados de la placa indica la posición del cable “pin1”. jP0: 3 Pines para Hacer Puente (Habilitación del Puerto serie) Cuando está en la posición 2 - 3, este puente permite la conexión en serie (a través de conector X1) con la computadora u otros dispositivos . Use ésta como posición predeterminada. Cuando está en la posición 1 -2 , se desactiva la comunicación serie y permite la conexión de resistencias de pull-down externas en el pin0 (RX) y el pin 1 ( TX) . Esto se usa a veces, cuando el ATmega está corriendo un programa y se requiere evitar interferencias externas. En ocasiones, en aplicaciones de RF, si el puente no está en la posición 1-2, el microcontrolador no arranca. Al quitar este puente, la comunicación serie está desactivada , y tanto el pin 0 como el pin1 trabajan como pines digitales . Es útil cuando se necesitan

mas terminales digitales, pero sólo cuando la comunicación serial no es necesaria. Se requiere el uso de resistencias externas de pull-up. jP4: 2 Pines para Hacer Puente (rEsET Automático) Cuando está en la posición 1 - 2, este puente permite la función de restablecimiento automático, útil al cargar archivo en Arduino y restablecer elATmega automáticamente. Se hace necesario presionar el botón de reinicio (S1) al cargar sketches . Asegúrese de que la velocidad del puerto de la computadora (COM) esté en 19.200 bps, de otro modo el restablecimiento automático no funcionará correctamente. Si se ha retirado el puente, se deshabilita la función de reinicio automático. Es muy útil para evitar el indeseado RESET del ATmega. A veces Arduino detecta un pulso DTR al conectar X1 (conector serie) y algunos softwares envía un pulso DTR cuando se inicia o cuando se cierra, que hace que el ATmega se resetee cuando no se desee. s1: Pulsador Táctil Este botón restablece el ATmega, para preparar al Arduino para recibir un archivo a través del conector de serie (cuando el reinicio automático no está activo). LEDs: LEDs Indicativos LED de alimentación: Se enciende cuando Arduino se alimenta a través del pin DC1, 9V pin o el pin de 5V. LED TX: Se enciende cuando se transmiten datos desde la placa Arduino. LED RX: Se enciende cuando se reciben datos en la placa. LED L: Este LED está conectado a Pin13 digital con una resistencia de limitación de corriente (que no afecta a Pin13). Útil para proyectos de prueba. Es normal que parpadee cuando se está cargando el programa. PINouT de Alimentación (PowEr) Es un header o tira de 6 pines, cada pin cumple la siguiente función: pin RST : Hace que el ATmega se resetee cuando se conecta a GND. pin NC: Este pin no está conectado en Arduino S3v3. Arduino Diecimila tiene un pin de 3,3V en la misma posición.

Proyectos Electrónicos

11

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 12

Artículo de tapa Figura 9: Circuito del ArDuINo de una sola capa por puerto serial y usB.

12

Microcontroladores

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 13

Montaje de una placa ArduINo pin +9V: Cuando Arduino está alimentado (con la batería o el adaptador DC) , este pin se uti-

liza como Vout , con la misma tensión suministrada en DC1 (ver DC1 ), menos 0,7V. La corriente suministrada depende de la capacidad total de fuente de alimentación externa. Cuando Arduino DC1 no está conectado, el pin +9V se puede usar como pata de entrada de tensión (Vin). Entre este pin y GND se puede aplicar una fuente de 7V a 20V. pin +5V: Cuando Arduino DC1 está alimentado (con la batería o el adaptador de CC ), se puede usa este pin como una fuente de alimentación que suministra 5V, con una corriente máxima de 1A, que es la que suministra el reglador 7805. Cuando Arduino DC1 no está conectado, se puede alimentar la placa con una tensión regulada de 5V entre este pin y GND. PIN de 0V (GND): es el pin de referencia (AREF) que corresponde a un nivel de tierra.

Figura 10 - Placa de circuito impreso del ArDuINo.

Patas IN / ouT Digitales Es una tira de 8 pines (x 2). Una tira (header) corresponde a la conexión del puerto D con salidas D0 a D7. Recuerde que los pines Pin0 y Pin1 se pueden usar también como terminales de RX y TX respectivamente. Los pines Pin3, Pin5 y Pin6, en el ATmega168 se pueden emplear como terminales PWM La otra tira posee los 6 terminales de entrada / salida del puerto B (Pines 8 a 13) Pin10 (SS), PIN11 (MOSI), PIN12 (MISO) y Pin13 (SCK) se puede utilizar como SPI ( Serial Peripheral Interface) . Los pines Pin9, PIN10 y PIN11 se pueden utilizar como los patas PWM (tanto en el ATMEGA8 como en el Atmega168 ). Esta tira de 8 contactos posee también los terminales AREF y GND o 0V.

Proyectos Electrónicos

13

Art Tapa - Arduino.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 12:35 Page 14

Artículo de tapa Pines Analógicos de Entrada (ANALog IN) Es una tira (header) de 6 terminales, correspondientes a las 6 entradas analógicas: 0 a 5, lo que corresponde a Port C. Una vez que se haya familiarizado con las funciones de la placa, y luego de tener un real conocimiento de los que es Arduino y como se lo emplea, entonces puede fabricar la placa de circuito impreso y realizar el montaje del circuito. En la figura 10 tiene el diseño de la placa de circuito impreso y en la tabla 2 la lista de materiales. Debe tener en cuenta que el ATmega que coloque debe t e n e r grabado el bootloader para el IDE Figura 11 - Adaptador Arduino y que usB a rs232. si quiere conectarlo a un puerto USB deberá colocar un adaptador USB a RS232 como el de la figura 11 o armarlo Ud. mismo siguiendo las instrucciones del montaje propuesto en Saber Electrónica Nº 240, cuyo circuito se muestra en la figura 12. Por motivos de espacio no podemos publicar cómo cargar el bootloader en el microcontrolador, si quiere la información puede dirigirse a nuestra web: www.webelectronica.com.ar,

Figura 12 - Circuito del adaptador rs232 a usB

14

Microcontroladores

haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave: botarduino. J

Tec Punta - Redes:ArtTapa 08/27/2013 15:29 Página 69

pags 16 ok:ArtTapa 23/02/14 12:48 Page 16

Descarga de CD

Todo Sobre

Fuentes Conmutadas editorial Quark srl, saber internacional s.a. de C.V., el Club se y la revista saber electrónica presentan este nuevo producto multimedia. Como lector de saber electrónica puede descargar este Cd desde nuestra página web, grabar la imagen en un disco virgen y realizar el curso que se propone. Para realizar la descarga tiene que tener esta revista al alcance de su mano, dado que se le harán preguntas sobre su contenido. Para realizar la descarga, vaya al sitio: www.webelectronica.com.ar, haga clic en el ícono password e ingrese la clave “Cd-1429”. deberá ingresar su dirección de correo electrónico y, si ya está registrado, de inmediato podrá realizar la descarga siguiendo las instrucciones que se indiquen. si no está registrado, se le enviará a su casilla de correo la dirección de descarga (registrarse en webelectronica es gratuito y todos los socios poseen beneficios).

Módulo 1: Teoría

25- Fuente Panasonic 25V70 26- Fuente Panasonic 2832 1- Fuentes Conmutadas. Introducción. Configuraciones Básicas 27- Fuente Panasonic 2150 2- Pasos para seguir la reparación de Fuentes Conmutadas en TV Color 3- Fuentes Reguladas. Reguladores. Fuentes Reguladas de Tensión 28- Fuente Record 4029 4- Operación y fallas en Fuentes Conmutadas 29- Fuente Salora 2128 5- Principios de Diseño. Generalidades sobre las Fuentes de Alimentación 30- Fuente Samsung 5035 Conmutadas (FAC) 31- Fuente Samsung 5324/5062 6- Reparación de Fuentes de PC. Detección de fallas 32- Fuente Samsung 6202/7202 7- Reparación de Fuentes Conmutadas, basado en un TV Noblex con chasis 33- Fuente Sharp 21Tfn1 Samsung. 34- Fuente Sony 21M111 8- Teoría de operación de las Fuentes de Alimentación Conmutada. Principios 35- Fuente Sony 1431 de Operación 36- Fuente Sony 2155 37- Fuente Sony KV14M Módulo 2: diagraMas 38- Fuente Sony 1431CD 1- Fuente Sony KV25 39- Fuente Sony 2161/62/63 2- Fuente Telefunken VCR DV11 etc. 3- Fuente BECO-TVT 4- Fuente Daewo 2590/2895 5- Fuente Daewo C-50NA Módulo 3: PrograMas e insTruMenTos VirTuales 6- Fuente Funai 2500 GENERADORES: 7- Fuente Funai MS14 BIP Electronics Labs 3.0 8- Fuente Funai MS20 Sine Wave Generator 9- Fuente Genérica DMS14 BIP FreeWare Fun 10- Fuente Goldstar 2529CE ANALIZADORES 11- Fuente Goldstar 2122 LF SPECTRUM ANALYSER 12- Fuente Goldstar 2133 OSCILOSCOPIOS 13- Fuente Goldstar PC33 PBD 14- Fuente JVC 140 15- Fuente JVC 2155 Scope, Xilscope 16- Fuente JVC AV20 17- Fuente JVC AVJ21 Módulo 4: Videos 18- Fuente LG 1420/21 Funcionamiento de las Fuentes Conmutadas 19- Fuente LG 2420/21 Necesidad de las Fuentes Conmutadas 20- Fuente LG 2420 Tips para la Reparación de Fuentes Conmutadas 21- Fuente LG2529 Cómo Saber si Una Fuente está Oscilando 22- Fuente Nokia 7164 Mediciones en Fuentes Conmutadas 23- Fuente Panasonic 1421S1 Reparación de Fuentes de Consolas de Videojuegos 24- Fuente Panasonic 2170

16 Saber Electrónica Nº 320

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 17

CURSO

DE

TÉCNICO SUPERIOR

EN

ELECTRÓNICA

Teoría

ETAPA 5

Técnico en Electrónica y Microcontroladores Damos comienzo a la quinta etapa de la carrera de Técnico Superior en Electrónica, dedicada a la electrónica digital compleja, en la que se estudia todo lo correspondiente a los microcontroladores y su aplicación en Sistemas Electrónicos. Para poder abordar este módulo de estudio es preciso que el alumno haya estudiado y aprobado las cuatro etapas anteriores, cuya constitución mencionamos a continuación.

TÉCNICO SUPERIOR

EN

ELECTRÓNICA

CONSTITUCIÓN DE LA CARRERA Y FORMA DE ESTUDIO En febrero de 2012, en Saber Electrónica Nº 295, comenzamos el dictado de la carrera de “Técnico Superior en Electrónica”, con una extensión de 3 años, dividida en 6 etapas, de 6 lecciones mensuales cada etapa. Se trata de un sistema de estudio que se basa en guías de estudio impresas en papel y CDs Multimedia Interactivos. El alumno puede estudiar a razón de una lección por mes y “no podrá rendir exámenes libres” lo que significa que sin importar los estudios previos que posea, el alumno podrá rendir un examen por mes como máximo y 6 exámenes por año como mínimo. Esto significa que el tiempo mínimo para completar la carrera es de 3 años y el tiempo máximo queda fijo en 6 años. Para realizar el estudio la mecánica es la siguiente: 1) El alumno debe descargar gratuitamente el CD correspondiente a la primera lección de la primera etapa desde nuestra web: www.webelectronica.com.ar, haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave CURSOE1L1. 2) El alumno deberá explorar el contenido del CD y si desea realizar los estudios de la carrera debe inscribirse gratuitamente como alumno regular siguiendo los pasos sugeridos en el CD. 3) El alumno estudiará todas las secciones correspondientes a cada lección y podrá realizar consultas por Internet, asistir a videoconferencias y a las clases de apoyo que se programen. 4) A partir del momento en que se inscribe como alumno, tiene un tiempo máximo de 3 meses para rendir el primer Test de Evaluación por Internet. En caso de no hacerlo será dado de baja y no podrá retomar los estudios hasta que transcurra un período mínimo de 6 meses, luego del cual deberá volver a inscribirse como alumno regular. 5) El Test se aprueba con 7 puntos y en caso de reprobar se le enviará un nuevo examen que deberá realizar luego de transcurrido un tiempo mínimo de un mes, con un máximo de 3 meses. Si vuelve a reprobar deberá solicitar un nuevo Test, el cual tendrá un costo equivalente a $25.

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

17

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 18

Lección 1, Etapa 5 Esta es la primera lección de la quinta etapa del Curso de Electrónica Multimedia, Interactivo, de enseñanza a distancia y por medio de Internet que presentamos en Saber Electrónica Nº 295. El Curso se compone de 6 ETAPAS y cada una de ellas posee 6 lecciones con teoría, prácticas, taller y Test de Evaluación. La estructura del curso es simple de modo que cualquier persona con estudios primarios completos pueda estudiar una lección por mes si le dedica 8 horas semanales para su total comprensión. Al cabo de 3 años de estudios constantes podrá tener los conocimientos que lo acrediten como Técnico Superior en Electrónica. Cada lección se compone de una guía de estudio y un CD multimedia interactivo. El alumno tiene la posibilidad de adquirir un CD Multimedia por cada lección, lo que lo habilita a realizar consultas por Internet sobre las dudas que se le vayan presentando. Tanto en Argentina como en México y en varios países de América Latina al momento de estar circulando esta edición se pondrán en venta los CDs del “Curso Multimedia de Electrónica en CD”, el volumen 1 de la primera etapa corresponde al estudio de la lección Nº 1 de este curso (aclaramos que en Saber Electrónica Nº 295 publicamos la guía impresa de la lección 1), el volumen 6 de dicho Curso en CD corresponde al estudio de la lección Nº 6. Ud. está leyendo la parte teórica de la primera lección de la quinta etapa y el CD correspondiente es el de la Etapa 5, Lección 1. Para adquirir el CD correspondiente a cada lección debe enviar un mail a: [email protected]. El CD correspondiente a la lección 1 es GRATIS, y en la edición Nº 295 dimos las instrucciones de descarga. Si no poee la revista, solicite dichas instrucciones de descarga gratuita a:

[email protected]

A partir de la lección Nº 2 de la primera etapas, cuya guía de estudio fue publicada en Saber Electrónica Nº 296, el CD (de cada lección) tiene un costo de $25 (en Argentina) y puede solicitarlo enviando un mail a

[email protected]

18

Etapa 5

6) Una vez aprobado el test de evaluación podrá solicitar la descarga del CD Multimedia correspondiente a la segunda lección. A partir de la segunda lección, cada CD multimedia tiene costo. 7) La mecánica para el estudio de cada lección de las diferentes etapas es el mismo que lo ya explicado en los puntos (2) a (6). 8) Cuando culmine los estudios de cada etapa el alumno recibirá un Título Intermedio”. Otorgándosele un Diploma que acredita los logros obtenidos. Al culminar los estudios de cada etapa, el título obtenido es el siguiente: 8.1) Etapa 1: Idóneo en Electrónica 8.2) Etapa 2: Técnico en Semiconductores 8.3) Etapa 3: Técnico en Electrónica Digital 8.4) Etapa 4: Técnico en Sistemas de Audio 8.5) Etapa 5: Técnico en Electrónica y Microcontroladores 8.6) Etapa 6: Técnico en Telecomunicaciones 9) Al obtener el título de la sexta etapa automáticamente se graduará como Técnico Superior en Electrónica. SOBRE EL ESTUDIO DE CADA LECCIÓN Cada lección o guía de estudio se compone de 3 secciones: teoría, práctica y taller. Con la teoría aprende los fundamentos de cada tema que luego fija con la práctica. En la sección “taller” se brindan sugerencias y ejercicios técnicos. Para que nadie tenga problemas en el estudio, los CDs multimedia del Curso en CD están confeccionados de forma tal que Ud. pueda realizar un curso en forma interactiva, respetando el orden, es decir estudiar primero el módulo teórico y luego realizar las prácticas propuestas. Por razones de espacio, en la revista Saber Electrónica sólo se edita una parte de la guía de estudio, razón por la cual puede descargarlas de nuestra web, sin cargo, ingresando a www.webelectronica.com.ar, haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave dada en cada revista. La guía está en formato pdf, por lo cual al descargarla podrá imprimirla sin ningún inconveniente para que tenga la lección completa. El CD de la lección 1, de la etapa 1, lo puede descargar GRATIS y así podrá comprobar la calidad de esta CARRERA de Técnico Superior en Electrónica. A partir de la lección 2, el CD de cada lección tiene un costo de $25, Ud. lo abona por diferentes medios de pago y le enviamos las instrucciones para que Ud. lo descargue desde la web con su número de serie. Con las instrucciones dadas en el CD podrá hacer preguntas a su "profesor virtual" - Robot Quark- (es un sistema de animación contenido en los CDs que lo ayuda a estudiar en forma amena) o aprender con las dudas de su compañero virtual - Saberito- donde los profesores lo guían paso a paso a través de archivos de voz, videos, animaciones electrónicas y un sin fin de recursos prácticos que le permitirán estudiar y realizar autoevaluaciones (Test de Evaluaciones) periódicas para que sepa cuánto ha aprendido. Puede solicitar las instrucciones de descarga del CD que corresponde a esta lección, es decir, el CD Nº1 de la Cuarta Etapa y/o los CDs de las lecciones tanto de la Primera Etapa como de la Segunda Etapa de este Curso enviando un mail a [email protected] o llamando al teléfono de Buenos Aires (11) 4301-8804. SOBRE EL RECONOCIMIENTO DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL En la medida que vamos completando la edición de cada etapa, presentamos el plan de estudio realizado ante las autoridades competentes de la Universidad Tecnológica Nacional de la República Argentina con el objeto de que los títulos que

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 19

CURSO

DE

TÉCNICO SUPERIOR

EN

ELECTRÓNICA

Teoría

entregamos sean reconocidos por la mencionada Alta Casa de Estudio. A junio de 2013 la UTN reconocía los estudios correspondientes a las etapas 1 y 2 (Idóneo en Electrónica y Técnico en Semiconductores) y el Club Saber Electrónica comenzaba las acciones para el reconocimiento de la tercera etapa. Ya hemos presentado el plan de estudio y las lecciones correspondientes a la TERCERA ETAPA y el mes próximo haremos lo propio con la CUARTA ETAPA. Los alumnos que poseen los Diplomas otorgados por el Club Saber Electrónica pueden solicitar el Reconocimiento de la UTN sin tener que rendir ningún examen adicional, abonando un canon por gastos administrativos que a junio de 2013 eran de $200 por etapa. SOBRE LA QUINTA ETAPA: “TÉCNICO EN ELECTRÓNICA Y MICROCONTROLADORES” EL estudiante ya tiene todos los conocimientos necesarios como para desempeñarse como Técnico en Electrónica en empresas, fábricas, industrias, etc. y es hora de especializarse. Al comenzar los estudios de esta etapa el alumno ya posee conocimiento sobre las leyes fundamentales de la electrónica y estudió el comportamiento de los semiconductores, habiendo realizado prácticas con instrumental básico de taller. También estudió las familias lógicas, el comportamiento de las principales compuertas, conoce las leyes fundamentales de la electrónica digital, sabe realizar síntesis de funciones y se capacitó en el funcionamiento de programas simuladores que le permiten tomar experiencia con circuitos integrados complejos. Está capacitado en el manejo de las técnicas digitales y su interacción con las diferentes tecnologías electrónicas. Es por eso que en esta etapa se especializa en una de las ramas más importantes de la electrónica digital: “Los Microcontroladores”. En la primera lección se estudia qué son los microcontroladores, cuáles son sus características, las diferentes estructuras, dónde se los emplea, cómo fueron evolucionando y cuáles son los bloques que los integran. La segunda lección está destinada a explicar la estructura interna de los microcontroladores de Microchip, nos referimos a los PICs, quizá los más conocidos del mercado. El alumno aprenderá a programar en lenguaje Assembler y hará prácticas con dichos componentes. La tercera lección trata sobre una familia basada en los PICs de Microchip; nos referimos a los microcontroladores PICXE, quienes poseen un entorno de desarrollo bastante amigable con el que el alumno aprenderá a manejarlos en forma intuitiva, mediante diagramas de flujo y la conversión de programas a lenguaje Basic. En la cuarta lección se estudian los microcontroladores AVR de Atmel, mostrando la diferencia existente con los PIC de Microchip y cuáles son sus ventajas. Comienza a programar en lenguaje C y empieza a desarrollar sistemas microprocesados. Llega el momento de conocer a la plataforma Arduino, tema excluyente de la quinta lección de esta quinta etapa y, quizá, la más importante desde el punto de vista de su formación como “Técnico en Microcontroladores” ya que combina las diferentes plataformas, incorporando la conocida “Basic Stamp” para el desarrollo de sistemas complejos con microcontroladores. La última lección de la quinta etapa está destinada al estudio de microcontroladores específicos, comenzando por los MCH de Motorola, siguiendo con los TDA de Phillips, los COP de National, etc. Al término de esta lección, y luego de rendir los Test de Evaluación Correspondientes, tendrá el Título de “Técnico en Electrónica y Microcontroladores”. A continuación, damos comienzo a esta etapa, estudiando la “parte teórica” de la primera lección, en la que aprenderemos “qué son los microcontroladores”.

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

19

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 20

Lección 1, Etapa 5

ETAPA 5 - LECCIÓN Nº 1

Qué son los Microcontroladores Desde la invención del circuito integrado, el desarrollo constante de la electrónica digital ha dado lugar a dispositivos cada vez más complejos. Entre ellos los microprocesadores y los microcontroladores. El objetivo principal de esta lección es que el alumno logre un entendimiento básico de los microcontroladores y obtenga los conocimientos necesarios para la programación de estos dispositivos y para el diseño de sistemas digitales y/o analógicos basados en ellos. INTRODUCCIÓN Se pretende explicar conceptos cuya vigencia se mantendrá en un periodo mas o menos largo, centrándose en una familia de microcontroladores tradicional. La forma de estructurar el tema responde a la experiencia de que, para quien por primera vez estudia microcontroladores, resulta más sencillo aprender primero lo referente a la construcción interna del dispositivo y la arquitectura general de los microcontroladores y una vez entendido pasar entonces a los detalles.

QUÉ ES UN MICROCONTROLADOR Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadoras, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba de comenzar y el siglo XXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabriquemos y usaremos los humanos.

CONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno eléctrico dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y actúa sobre las resistencias para mantener la temperatura dentro del rango establecido. Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los controladores electrónicos se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un solo circuito integrado, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo ordenador contenido en un circuito integrado. Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que

20

Etapa 5

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 21

Teoría incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador y que contiene todos los componentes fundamentales de un ordenador, aunque de limitadas prestaciones y que se suele destinar a gobernar una sola tarea. En su memoria sólo reside un programa que controla en funcionamiento de una tarea determinada, sus líneas de entrada/salida se conectan a los sensores y actuadores del dispositivo a controlar y, debido a su pequeño tamaño, suele ir integrado en el propio dispositivo al que gobierna. Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso). Memoria RAM para contener los datos. Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EEPROM/Flash. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, puertos serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.). Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas: Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo. Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes. Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un circuito integrado disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks. Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller).

APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar. Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y costo, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

21

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 22

Lección 1, Etapa 5 Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, ordenadores, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC. Los microcontroladores se encuentran por todas partes: Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como centrales y en teléfonos fijos, móviles, fax, etc. Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas, batidoras, televisores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música, mandos a distancia, consolas, etc. Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones, teclados, impresoras, escáner, etc. Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc. Industria: Autómatas, control de procesos, etc. Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores, calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc. Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard), sistemas de navegación, etc. La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente, figura 1. Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los ordenadores y sus periféricos. La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.) El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones. Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales. El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción.

Figura 1

También los modernos microcontroladores de 32 bits van afianzando sus posiciones en el mercado, siendo las áreas de más interés el procesamiento de imágenes, las comunicaciones, las aplicaciones militares, los procesos industriales y el control de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos.

22

Etapa 5

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 23

Teoría La figura 2 muestra un ejemplo de aplicación de un microcontrolador en el automóvil.

Figura 2

EL MERCADO DE LOS MICROCONTROLADORES Aunque en el mercado de la microinformática la mayor atención la acaparan los desarrollos de los microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de microcontroladores por cada uno de aquéllos. La figura 3 muestra la producción mundial de microcontroladores por año. Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del microcontrolador es el mercado automovilístico. De hecho, algunas de las familias de microcontroladores actuales se desarrollaron pensando en este sector, siendo modificadas posteriormente para adaptarse a sistemas más genéricos. El mercado del automóvil es además uno de los más exigentes: los componentes electrónicos deben operar bajo condiciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables. El fallo de cualquier componente en un automóvil puede ser el origen de un accidente.

Figura 3

En cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido.

RECURSOS EN UN SOLO CHIP Al estar todos los microcontroladores en un solo circuito integrado, su estructura fundamental y sus características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

23

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 24

Lección 1, Etapa 5 los bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos. Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar los recursos más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.

ARQUITECTURA VON NEUMANN La arquitectura tradicional de computadoras y microcontroladores se basa en el esquema propuesto por John Von Neumann, en el cual la unidad central de proceso, o CPU, esta conectada a una memoria única que contiene las instrucciones del programa y los datos, figura 4. El tamaño de la unidad de datos o instrucciones esta fijado por el ancho del bus de la memoria. Las dos principales limitaciones de esta arquitectura tradicional son :

Figura 4

a) Que la longitud de las instrucciones esta limitada por la unidad de longitud de los datos, por lo tanto el microprocesador debe hacer varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas. b) La velocidad de operación (o ancho de banda de operación) esta limitada por el efecto de cuello de botella que significa un bus único para datos e instrucciones que impide superponer ambos tiempos de acceso. La arquitectura von Neumann permite el diseño de programas con código automodificable, práctica bastante usada en las antiguas computadoras que solo tenían acumulador y pocos modos de direccionamiento, pero innecesaria, en las computadoras modernas.

LA ARQUITECTURA HARVARD La arquitectura conocida como Harvard, consiste simplemente en un esquema en el que el CPU esta conectado a dos memorias por intermedio de dos buses separados. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa, y es llamada Memoria de Programa, figura 5 . La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria de Datos. Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de distintos anchos. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus de la memoria de programa pueden diseñarse de manera tal que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Además, como los

Figura 5

24

Etapa 5

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 25

Teoría buses son independientes, el CPU puede estar accediendo a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo estar leyendo la próxima instrucción a ejecutar. Podemos observar claramente que las principales ventajas de esta arquitectura son: a) El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa. b) El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad de operación. Una pequeña desventaja de los procesadores con arquitectura Harvard, es que deben poseer instrucciones especiales para acceder a tablas de valores constantes que pueda ser necesario incluir en los programas, ya que estas tablas se encontraran físicamente en la memoria de programa (por ejemplo en la EPROM de un microprocesador).

EL PROCESADOR O CPU Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado. Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales, figura 6.

Figura 6

CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros.
 RISC: En este caso la idea es que el microcontrolador reconoce y ejecuta sólo operaciones básicas (sumar, restar, copiar etc.). Las operaciones más complicadas se realizan al combinar éstas (por ejemplo, multiplicación se lleva a cabo al realizar adición sucesiva). Es como intentar explicarle a alguien con pocas palabras cómo llegar al aeropuerto en una nueva ciudad. Sin embargo, no todo es tan oscuro. Además, el microcontrolador es muy rápido así que no es posible ver todas las “acrobacias” aritméticas que realiza. El usuario sólo puede ver el resultado final de todas las operaciones. Por último, no es tan difícil explicar dónde está el aeropuerto si se utilizan las palabras adecuadas tales como: a la derecha, a la izquierda, el kilómetro etc. SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es “específico”, o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

25

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 26

Lección 1, Etapa 5

Figura 7

En la figura 7 podemos observar la estructura típica de un microcontrolador con todos los elementos que lo componen. MEMORIA En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio circuito integrado. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos. Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de las computadoras tipo PC: No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes. Como el microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria de programa, sólo hay que almacenar un único programa de trabajo. La memoria de datos (RAM) en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la memoria de programa (ROM). El usuario de PC está habituado a manejar Megabytes de memoria, pero los diseñadores con microcontroladores trabajan con capacidades de memoria de programa de 512 bytes, 1K, 2K (hasta unos 64K) y de RAM de 20 bytes, 68 bytes, 512 bytes (hasta unos 4K).

Celda de memoria de una ROM con máscara

26

Etapa 5

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 27

Práctica Según el tipo de memoria de programa que dispongan los microcontroladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado: 1º. ROM con Máscara Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. Máscara viene de la forma cómo se fabrican los circuitos integrados. Estos se fabrican en obleas que contienen varias decenas de chips. Estas obleas se obtienen a partir de procesos fotoquímicos, donde se impregnan capas de silicio y oxido de silicio, y según convenga, se erosionan al exponerlos a la luz. Como no todos los puntos han de ser erosionados, se sitúa entre la luz y la oblea una máscara con agujeros, de manera que donde deba incidir la luz, esta pasará. Con varios procesos similares pero más complicados se consigue fabricar los transistores y diodos que componen un circuito integrado.

Organización interna de una memoria ROM

El elevado costo del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades. 2ª. OTP El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura “programable una sola vez” por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido. 3ª EPROM Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico. Hoy día se utilizan poco, siendo sustituidas por memorias EEPROM o Flash. 4ª EEPROM Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM, una vez instalados en el circuito integrado, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan “grabadores en circuito” que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo.

Celda de memoria de una EPROM

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

27

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 28

Lección 1, Etapa 5 El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua. Hoy día están siendo sustituidas por memorias de tipo Flash. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta. 5ª FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Son idóneas para la enseñanza y la Ingeniería de diseño.

Celda de memoria de una FLASH

Las celdas de memoria se encuentran constituidas por un transistor MOS de puerta apilada, el cual se forma con una puerta de control y una puerta aislada. La compuerta aislada almacena carga eléctrica cuando se aplica una tensión lo suficientemente alta en la puerta de control. De la misma manera que la memoria EPROM, cuando hay carga eléctrica en la compuerta aislada, se almacena un 0, de lo contrario se almacena un 1. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados “en circuito”, es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este tipo de memoria incorporado al control del motor de un automóvil permite que pueda modificarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas piezas, etc. La reprogramación del microcontrolador puede convertirse en una labor rutinaria dentro de la puesta a punto.

PUERTOS DE ENTRADA Y SALIDA La principal utilidad de las patillas que posee la cápsula que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores y según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.

Cómo se carga una memoria FLASH

Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patillas a soportar líneas de E/S de tipo digital, esto es, todo o nada. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos. Las líneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración. RELOJ PRINCIPAL Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema. Esta señal del reloj es el motor

28

Etapa 5

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 29

CURSO

DE

TÉCNICO SUPERIOR

EN

ELECTRÓNICA

Práctica

del sistema y la que hace que el programa y los contadores avancen. Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C. Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado un incremento del consumo de energía y de calor generado.

RECURSOS ESPECIALES Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el costo, el hardware y el software. Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son: Temporizadores o “Timers”. Perro guardián o “Watchdog”. Protección ante fallo de alimentación o “Brownout”. Estado de reposo o de bajo consumo. Conversor A/D. Conversor D/A. Comparador analógico. Modulador de anchura de impulsos o PWM. Puertos de comunicación. Temporizadores o “Timers” Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores). Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso. Cuando se desean contar acontecimientos que se materializan por cambios de nivel o flancos en alguna de las patillas del microcontrolador, el mencionado registro se va incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos. Perro Guardián o “Watchdog” Cuando un ordenador personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el botón del reset y se reinicializa el sistema.

Organización básica de un microcontrolador

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

29

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 30

Lección 1, Etapa 5 En la mayoría de los casos y a diferencia de un ordenador personal, un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continuada las 24 horas del día y 365 días al año. El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema. Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro guardián antes de que provoque el reset. Si falla el programa o se bloquea, el programa no refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, provocará el reset del sistema. Protección Ante Fallo de Alimentación o “Brownout” Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo (“brownout”). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor. Esto es muy útil para evitar datos erróneos por transiciones y ruidos en la línea de alimentación.

Reset por caida de tensión

Estado de Reposo ó de Bajo Consumo Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que lo ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los microcontroladores disponen de una instrucción especial (SLEEP), que los pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se “congelan” sus circuitos asociados, quedando sumido en un profundo “sueño” el microcontrolador. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo. Para hacernos una idea, esta función es parecida a la opción de Suspender en el menú para apagar el equipo (en aquellos PCs con administración avanzada de energía). Conversor A/D (CAD) Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde las patillas del circuito integrado. Conversor D/A (CDA) Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patillas de la cápsula. Existen muchos dispositivos de salida que trabajan con señales analógicas. Comparador Analógico Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por una de las patillas de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra. También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los comparadores.

Circuito típico de activación de estado de reposo

Modulador de Ancho de Pulsos o PWM Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que

30

Etapa 5

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 31

Práctica se ofrecen al exterior a través de las patillas del encapsulado. Resulta útil para sistemas de control de potencia, como por ejemplo motores. Puertos de Comunicación Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos. Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan: UART, adaptador de comunicación serie asíncrona. USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona Puerto paralelo esclavo para poder conectarse con los buses de otros microprocesadores. USB (Universal Serial Bus), el conocido bus serie para los PC. Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips. Interface SPI, un puerto serie síncrono. CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O. TCP/IP, ya existen microcontroladores con un adaptador de comunicación para este protocolo.

Estructura de un microcontrolador

Tanto el I2C en televisores, como el Bus CAN en automóviles, fueron diseñados para simplificar la circuitería que supone un bus paralelo de 8 líneas dentro de un televisor, así como para librar de la carga que supone una cantidad ingente de cables en un vehículo.

HERRAMIENTAS DE DESARROLLO DE LOS MICROCONTROLADORES Las herramientas de desarrollo están formadas por un conjunto de programas e interfaces que permiten realizar los proyectos de la forma más eficiente posible. Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de sistemas basados en microcontroladores se describen a continuación: Ensamblador La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares. Compilador La programación en un lenguaje de alto nivel (como C o Basic) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto y si además está familiarizado con C o Basic es una buena opción. No obstante, cuando el compilador convierta el código del programa a un lenguaje ensamblado, cada línea de código del programa en lenguaje de alto nivel habrá generado bastantes más líneas de código en lenguaje ensambla-

Herramientas de desarrollo de los microcontroladores

Técnico en Electrónica y Microcontroladores

31

Tec Sup E5 L1.qxd:LECC 1 .qxd 23/02/14 13:10 Page 32

Lección 1, Etapa 5 dor, normalmente en una relación de uno a tres. Esto significa que para utilizar un lenguaje de alto nivel necesitaremos un microcontrolador con una capacidad de memoria relativamente grande. Si el programa que estamos desarrollando necesita utilizar números con decimales, o con notación científica o se utilizan operaciones complejas, como pueden ser las trigonométricas, es casi obligado utilizar un lenguaje de alto nivel. Pero si lo que se va a hacer es manipular bits en registros, entradas, salidas y cálculos sencillos, el lenguaje ensamblado es la mejor opción.

Placa de entrenamiento para aprender microcontroladores

Las versiones más potentes de compiladores suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos. Como compilador gratuito puede utilizarse el compilador C GNU, que es un compilador C de código abierto tan bueno como los compiladores C comerciales pero que sin embargo tiene un proceso de instalación que no es sencillo. Además hay que comprobar que arquitecturas de microcontrolador soporta. Algunas de las cuales son MSP430 de TI, AVR de Atmel y HC11 de Motorola, (ver www.gnu.org y www.fsf.org). También puede conseguirse un compilador C GNU en binario ya construido. Por ejemplo para la arquitectura ARM puede conseguirse un compilador C GNU binario para win32 desde www.gnuarm.com, que trabaja con línea de comandos e incluye un depurador de código. Para obtener un entorno de desarrollo (IDE) para windows que pueda utilizarse con el conjunto de herramientas GNU puede utilizarse la aplicación VIDE, que puede conseguirse en www.objectcentral. com/vide.htm. Simulador Se trata de software que es capaz de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador. Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el paso físico de la implementación de un modo más seguro y menos costoso, puesto que ahorraremos en grabaciones de chips para la prueba insitu. Placas de Evaluación Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc. Pueden incluir un programa de control o sistema operativo que recibe el nombre de programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria. Por motivos de espacio, debemos terminar el tema aquí, sin embargo aclaramos que en el CD correspondiente a esta lección encontrará la información completa tanto de la sección Teoría como de las secciones Práctica y Taller. J

32

Etapa 5

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­33

Microcontroladores Atmel

Generalidades y CaraCterístiCas de los

MiCroControladores atMel Los AVR son una familia de microcontroladores RISC de Atmel. La arquitectura de los AVR fue concebida por dos estudiantes en el “Norwegian Institute of Technology” y, posteriormente, refinada y desarrollada en Atmel Norway, empresa subsidiaria de Atmel, fundada por los dos arquitectos del chip. El AVR es un microcontrolador (CPU) de arquitectura Harvard con 32 registros de 8 bits. Algunas instrucciones sólo operan en un subconjunto de estos registros. La concatenación de los 32 registros, los registros de entrada/salida y la memoria de datos conforman un espacio de direcciones unificado, al cual se accede a través de operaciones de carga/almacenamiento. A diferencia de los microcontroladores PIC, el stack se ubica en este espacio de memoria unificado, y no está limitado a un tamaño fijo. El AVR fue diseñado desde un comienzo para la ejecución eficiente de código C compilado. Por lo tanto, algunas instrucciones tales como 'suma inmediata' ('add immediate' en inglés) no están incluidas, ya que puede usarse la instrucción 'resta inmediata' ('substract immediate' en inglés) con el complemento dos como una alternativa. El set de instrucciones AVR está implementado físicamente y disponible en el mercado en diferentes dispositivos, que comparten el mismo núcleo AVR pero tienen distintos periféricos y cantidades de RAM y ROM: desde el microcontrolador de la familia Tiny AVR ATtiny11 con 1kB de memoria flash y sin RAM (sólo los 32 registros), y 8 pines, pasando por el microcontrolador de la familia Mega AVRATmega2560 con 256kB de memoria flash, 8kB de memoria RAM, 4kB de memoria EEPROM, conversor análogo digital de 10 bits y 16 canales, temporizadores, comparador analógico, JTAG, etc. Hay una gran compatibilidad entre los diferentes modelos. Coordinación: Ing. Horacio Daniel Vallejo - [email protected]

Microcontroladores

33

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­34

M AnuAles T écnicos : IntroDuCCIón Lue­go­de­pre­gun­tar­a­di­fe­ren­tes­fuen­tes­so­bre el­ ori­gen­ del­ nom­bre­AVR,­ pro­pues­to­ por­At­mel pa­ra­ es­tos­ mi­cro­con­tro­la­do­res,­ des­co­noz­co­ la ver­da­de­ra­eti­mo­lo­gía­de­es­tas­si­glas,­sin­em­bar­go­po­drían­de­ber­se­a­lo­si­guien­te: 1) Audio, Video, Radio: Microcontroladores pensados para aplicaciones en audio, video y radio. 2) Advanced Virtual Risc. 3) Corresponde a las iniciales de sus inventores: Alf Egil Bogen and Vegard Wollan (AlfVegardRisc). El­AVR­fue­di­se­ña­do­pa­ra­la­eje­cu­ción­de­pro­gra­mas­ es­cri­tos­ en­ có­di­go­ C­ com­pi­la­do.­ Por­ lo tan­to,­al­gu­nas­ins­truc­cio­nes­no­es­tán;­por­ejem­plo,­ no­ exis­te­ la­ ins­truc­ción­ 'su­ma­ in­me­dia­ta' ('add­im­me­dia­te'),­ya­que­la­ins­truc­ción­'res­ta­in­me­dia­ta'­ ('subs­tract­ im­me­dia­te')­ con­ el­ com­ple­men­to­a­dos­pue­de­ser­usa­da­co­mo­al­ter­na­ti­va. Los­ microcontroladores­ AVR­ poseen­ una esructura­tipo­“pipeline”­con­dos­etapas­(cargar­y ejecutar),­que­les­permite­ejecutar­la­mayoría­en un­ ciclo­ de­ reloj,­ lo­ que­ los­ hace­ relativamente rápidos­entre­los­microcontroladores­de­8-bit. El­ set­ de­ instrucciones­ de­ los­ AVR­ es­ más regular­que­la­de­la­mayoría­de­los­microcontroladores­ de­ 8-bit­ (por­ ejemplo,­ los­ PIC).­ Sin embargo,­no­es­completamente­ortogonal: • Los registros punteros X, Y y Z tienen capacidades de direccionamiento diferentes entre sí. • Los registros 0 al 15 tienen diferentes capacidades de direccionamiento que los registros 16 al 31. • Las registros de I/O 0 al 31 tienen distintas características que las posiciones 32 al 63. • La instrucción CLR afecta los 'flag', mientras que la instrucción SER no lo hace, a pesar de que parecen ser instrucciones complementarias (dejar todos los bits en 1, y dejar todos los bits en 0 respectivamente). • Los códigos de operación 0x95C8 y 0x9004 hacen exactamente lo mismo (LPM). Como­los­PIC,­tiene­una­comunidad­de­seguidores­ (ejemplificadas­ por­ el­ foro­ de­ internet AVRFreaks),­principalmente­debido­a­la­existencia­de­herramientas­de­desarrollo­gratuitas­o­de bajo­ costo.­ Estos­ microcontroladores­ están

34

Microcontroladores

soportados­ por­ tarjetas­ de­ desarrollo­ de­ costo razonable,­ capaces­ de­ descargar­ el­ código­ al microcontrolador,­y­por­una­versión­de­las­herramientas­ GNU.­ Hoy­ en­ día­ se­ han­ hecho­ mucho más­famosos­gracias­a­la­plataforma­ARDUINO, de­la­cual­hablaremos­más­adelante.­Sin­embargo,­para­poder­comenzar­a­hablar­de­los­microcontroladores­ más­ pequeños­ de­ 8­ bits,­ primero haremos­una­breve­introducción­a­los­microcontroladores. La­fa­mi­lia­de­mi­cro­con­tro­la­do­res­AVR­es­bas­tan­te­ex­ten­sa­y­to­das­com­par­ten­el­mis­mo­nú­cleo AVR,­ pe­ro­ tie­nen­ dis­tin­tos­ pe­ri­fé­ri­cos­ y­ can­ti­da­des­ de­ RAM­ y­ ROM:­ des­de­ el­ mi­cro­con­tro­la­dor de­la­fa­mi­lia­Tiny­AVR­AT­tiny11­con­1kB­de­me­mo­ria­flash­y­sin­RAM­(só­lo­los­32­re­gis­tros),­con un­en­cap­su­la­do­de­8­pi­nes,­has­ta­el­mi­cro­con­tro­la­dor­ de­ la­ fa­mi­la­ Me­ga­ AV­RAT­me­ga2560­ con 256kB­de­me­mo­ria­flash,­8kB­de­me­mo­ria­RAM, 4kB­de­me­mo­ria­EE­PROM,­con­ver­sor­aná­lo­go­di­gi­tal­ de­ 10­ bits­ y­ 16­ ca­na­les,­ tem­po­ri­za­do­res, com­pa­ra­dor­ana­ló­gi­co,­etc.­ Ca­da­com­po­nen­te­de­la­fa­mi­lia­se­ha­di­se­ña­do­ pa­ra­ que­ guar­de­ cier­ta­ com­pa­ti­bi­li­dad­ con­ el res­to.­ Los­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ AVR­ per­mi­ten­ la eje­cu­ción­de­ins­truc­cio­nes­me­dian­te­la­me­to­do­lo­gía­'pi­pe­li­ne'­con­dos­eta­pas­(car­gar­y­eje­cu­tar), que­les­per­mi­te­eje­cu­tar­la­ma­yo­ría­de­las­ins­truc­cio­nes­en­un­ci­clo­de­re­loj,­lo­que­los­ha­ce­re­la­ti­va­men­te­rá­pi­dos­en­tre­los­mi­cro­con­tro­la­do­res­de 8­bits. Co­mo­ una­ pri­me­ra­ sín­te­sis,­ po­de­mos­ de­cir que­el­set­de­ins­truc­cio­nes­de­los­AVR­es­bas­tan­te­ “re­gu­lar”,­ te­nien­do­ en­ cuen­ta­ las­ si­guien­tes con­si­de­ra­cio­nes: • Los registros punteros X, Y y Z tienen capacidades de direccionamiento diferentes entre sí. • Los registros 0 al 15 tienen diferentes capacidades de direccionamiento que los registros 16 al 31. • Las registros de I/O 0 al 31 tienen distintas características que las posiciones 32 al 63. • La instrucción CLR afecta los 'flag', mientras que la instrucción SER no lo hace, a pesar de que parecen ser instrucciones complementarias (dejar todos los bits en 1, y dejar todos los bits en 0 respectivamente). • Los códigos de operación 0x95C8 y 0x9004 hacen exactamente lo mismo (LPM). Así­co­mo­los­PICs­po­seen­un­“en­tor­no­de­de­sa­rro­llo”­ (MPLAB),­ los­AVR­ tam­bién­ po­seen­ he­-

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­35

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

rra­mien­tas­de­de­sa­rro­llo­gra­tui­tas­o­de­ba­jo­cos­to­ca­pa­ces­de­des­car­gar­el­có­di­go­al­mi­cro­con­tro­la­dor­uti­li­zan­do­una­ver­sión­de­las­he­rra­mien­tas de­li­cen­cia­li­bre­GNU. Aho­ra­bien,­co­mo­es­pro­ba­ble­que­es­te­ar­tí­cu­lo­ es­té­ sien­do­ leí­do­ por­ es­tu­dian­tes­ y/o­ prin­ci­pian­tes,­va­mos­a­dar­una­bre­ve­in­tro­duc­ción­que ex­pli­que­qué­es­un­mi­cro­con­tro­la­dor­y­pa­ra­qué se­lo­em­plea.­Pa­ra­es­te­pro­pó­si­to­em­plea­re­mos de­fi­ni­cio­nes­ rea­li­za­das­ por­ Emi­lio­ To­bo­so­ en­ su pá­gi­na­ www.perso.wanadoo.es/emiliotoboso. Ca­be­acla­rar­que­en­el­li­bro­“PIC­pa­ra­Es­tu­dian­tes”,­de­Edi­to­rial­Quark,­Ud,­pue­de­en­con­trar­bi­blio­gra­fía­ex­ten­sa­so­bre­el­te­ma­y­que­en­la­pá­gi­na­del­Sr.­To­bo­so­tam­bién­po­drá­en­con­trar­abun­dan­te­in­for­ma­ción­orien­ta­da­a­los­mi­cro­con­tro­la­do­res­PICs,

IntroDuCCIón a los MICroControlaDores Des­de­la­in­ven­ción­de­los­se­mi­con­duc­to­res,­el de­sa­rro­llo­de­la­tec­no­lo­gía­di­gi­tal­ha­da­do­lu­gar­a dis­po­si­ti­vos­ ca­da­ vez­ más­ com­ple­jos­ y­ rá­pi­dos. En­tre­ellos­los­mi­cro­pro­ce­sa­do­res­y­los­mi­cro­con­tro­la­do­res.­Los­mi­cro­con­tro­la­do­res­se­en­cuen­tran en­nues­tro­tra­ba­jo,­en­nues­tra­ca­sa­y­en­nues­tra vi­da.­Con­tro­lan­el­fun­cio­na­mien­to­de­los­te­cla­dos de­las­com­pu­ta­do­ras,­es­tán­en­los­te­lé­fo­nos­ce­lu­la­res,­en­los­hor­nos­de­mi­croon­das­y,­en­ge­ne­ral, en­to­do­apa­ra­to­elec­tró­ni­co­que­po­sea­un­gra­do de­au­to­ma­tis­mo.­ Se­ di­ce­ que­ un­ con­tro­la­dor­ es­ un­ dis­po­si­ti­vo que­se­em­plea­pa­ra­ma­ne­jar­uno­o­va­rios­pro­ce­sos.­Por­ejem­plo,­pa­ra­ver­te­le­vi­sión,­un­con­tro­la­dor­eva­lúa­la­se­ñal­que­in­gre­sa­por­la­an­te­na­y­la pro­ce­sa­pa­ra­que­a­la­pan­ta­lla­y­el­par­lan­te­lle­gue con­el­mis­mo­ni­vel­pro­me­dio,­sin­im­por­tar­el­ni­vel de­la­se­ñal­in­gre­san­te,­siem­pre­que­es­té­den­tro de­ de­ter­mi­na­dos­ pa­rá­me­tros.­ Has­ta­ ha­ce­ unos 35­ años,­ los­ con­tro­la­do­res­ se­ cons­truían­ con com­po­nen­tes­ elec­tró­ni­cos­ de­ ló­gi­ca­ dis­cre­ta; pos­te­rior­men­te­ se­ em­plea­ron­ los­ mi­cro­pro­ce­sa­do­res,­apo­ya­dos­con­chips­de­me­mo­ria­y­dis­po­si­ti­vos­de­E/S­so­bre­una­tar­je­ta­de­cir­cui­to­im­pre­so. Des­de­co­mien­zos­de­los­90­to­dos­los­ele­men­tos del­ con­tro­la­dor­ se­ han­ po­di­do­ in­cluir­ en­ un­ so­lo cir­cui­to­in­te­gra­do,­el­cual­re­ci­be­el­nom­bre­de­mi­cro­con­tro­la­dor.­ Es­ de­cir,­ un­ mi­cro­con­tro­la­dor­ es un­chip­que­po­see­en­su­in­te­rior­a­un­mi­cro­pro­ce­sa­dor,­me­mo­ria­de­pro­gra­ma,­me­mo­ria­de­da­tos y­puer­tos­pa­ra­co­mu­ni­car­se­con­el­ex­te­rior. Un­ mi­cro­con­tro­la­dor­ es­ un­ cir­cui­to­ in­te­gra­do

de los

M icroconTrolAdores A TMel

de­ al­ta­ es­ca­la­ de­ in­te­gra­ción­ que­ in­cor­po­ra­ la ma­yor­par­te­de­los­ele­men­tos­que­con­fi­gu­ran­un con­tro­la­dor­y­que­con­tie­ne­to­dos­los­com­po­nen­tes­fun­da­men­ta­les­de­un­or­de­na­dor,­aun­que­de­li­mi­ta­das­ pres­ta­cio­nes­ y­ que­ se­ sue­le­ des­ti­nar­ a go­ber­nar­una­so­la­ta­rea. En­la­me­mo­ria­de­pro­gra­ma­­de­be­re­si­dir­un con­jun­to­de­sen­ten­cias­(pro­gra­ma)­que­con­tro­lan el­fun­cio­na­mien­to­de­una­ta­rea­de­ter­mi­na­da,­sus lí­neas­de­en­tra­da­/sa­li­da­se­co­nec­tan­a­los­sen­so­res­y­ac­tua­do­res­del­dis­po­si­ti­vo­a­con­tro­lar­y,­de­bi­do­a­su­pe­que­ño­ta­ma­ño,­sue­le­ir­in­te­gra­do­en el­pro­pio­dis­po­si­ti­vo­al­que­au­to­ma­ti­za. Se­gún­ lo­ di­cho,­ un­ mi­cro­con­tro­la­dor­ dis­po­ne nor­mal­men­te­de­los­si­guien­tes­com­po­nen­tes: • Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso). • Memoria RAM para contener los datos. • Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EEPROM/Flash. • Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. Tam­bién­pue­de­po­seer­otros­blo­ques­de­apo­yo­que­fle­xi­bi­li­zan­aún­más­su­uso,­ta­les­co­mo: • Módulos para el control de periféricos: temporizadores, puertos serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc. • Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. • Sistemas de protección de sobrecorriente o cortocircuito. Ca­da­fa­bri­can­te­de­mi­cro­con­tro­la­do­res­ofer­ta un­ele­va­do­nú­me­ro­de­mo­de­los­di­fe­ren­tes,­des­de los­ más­ sen­ci­llos­ has­ta­ los­ más­ po­de­ro­sos.­ Se pue­de­se­lec­cio­nar­la­ca­pa­ci­dad­de­las­me­mo­rias, el­nú­me­ro­de­lí­neas­de­E/S,­la­can­ti­dad­y­po­ten­cia­ de­ los­ ele­men­tos­ au­xi­lia­res,­ la­ ve­lo­ci­dad­ de fun­cio­na­mien­to,­ etc.­ Por­ to­do­ ello,­ un­ as­pec­to muy­im­por­tan­te­del­di­se­ño­de­un­sis­te­ma­mi­cro­con­tro­la­do­es­la­se­lec­ción­del­mi­cro­con­tro­la­dor­a uti­li­zar.­ Una­ apli­ca­ción­ tí­pi­ca­ po­dría­ em­plear­ va­rios mi­cro­con­tro­la­do­res­pa­ra­con­tro­lar­pe­que­ñas­par­tes­del­sis­te­ma.­ Es­tos­pe­que­ños­con­tro­la­do­res­po­drían­co­mu­ni­car­se­ en­tre­ ellos­ y­ con­ un­ pro­ce­sa­dor­ cen­tral, pro­ba­ble­men­te­más­po­ten­te,­pa­ra­com­par­tir­la­in­for­ma­ción­y­coor­di­nar­sus­ac­cio­nes­co­mo,­de­he­-

Microcontroladores

35

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­36

M AnuAles T écnicos : cho,­ocu­rre­ya­ha­bi­tual­men­te­en­cual­quier­PC.­Al­gu­nas­ apli­ca­cio­nes­ de­ los­ mi­cro­con­tro­la­do­res son: • En sistemas de comunicación: centrales telefónicas, transmisores, receptores, télefonos fijos, celulares, fax, etc. • En electrodomésticos: lavarropas, hornos de microondas, heladeras, lavavajillas, televisores, reproductores de DVD, minicomponentes, controles remotos, etc. • Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones, teclados, impresoras, escáner, etc. • Domótica: sistemas de alarma y seguridad, control de procesos hogareños a distancia, etc. • Automación: climatización, seguridad, ABS, etc. • Industria: Autómatas, control de procesos, etc. • Otros: Instrumentación, electromedicina, ascensores, calefacción, aire acondicionado, sistemas de navegación, etc. En­la­fi­gu­ra­1­se­pue­de­apre­ciar­la­dis­tri­bu­ción de­ los­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ en­ las­ áreas­ de­ más uso.

arquIteCturas De ProCeso En­ ge­ne­ral,­ los­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ po­seen dos­for­mas­de­tra­ba­jo­en­cuan­to­a­los­da­tos­y­di­rec­cio­nes.­La­ar­qui­tec­tu­ra­de­Von­Neu­mann­(fi­gu­ra­2)­se­ca­rac­te­ri­za­por­dis­po­ner­de­una­so­la­me­mo­ria­prin­ci­pal­don­de­se­al­ma­ce­nan­da­tos­e­ins­truc­cio­nes­ de­ for­ma­ in­dis­tin­ta.­A­ di­cha­ me­mo­ria se­ac­ce­de­a­tra­vés­de­un­sis­te­ma­de­bu­ses­úni­co (di­rec­cio­nes,­da­tos­y­con­trol)­mien­tras­que­la­ar­qui­tec­tu­ra­Har­vard­(fi­gu­ra­3)­dis­po­ne­de­dos­me­mo­rias­ in­de­pen­dien­tes,­ una­ que con­tie­ne­só­lo­ins­truc­cio­nes­y­otra só­lo­ da­tos.­ Am­bas­ dis­po­nen­ de sus­ res­pec­ti­vos­ sis­te­mas­ de­ bu­ses­de­ac­ce­so­y­es­po­si­ble­rea­li­zar­ope­ra­cio­nes­de­ac­ce­so­(lec­tu­ra­ o­ es­cri­tu­ra)­ si­mul­tá­nea­men­te en­am­bas­me­mo­rias.­

na­sus­prin­ci­pa­les­ca­rac­te­rís­ti­cas,­tan­to­a­ni­vel­de hard­wa­re­co­mo­de­soft­wa­re.­ Se­en­car­ga­de­di­rec­cio­nar­la­me­mo­ria­de­ins­truc­cio­nes,­re­ci­bir­el­có­di­go­OP­de­la­ins­truc­ción en­ cur­so,­ su­ de­co­di­fi­ca­ción­ y­ la­ eje­cu­ción­ de­ la ope­ra­ción­que­im­pli­ca­la­ins­truc­ción,­así­co­mo­la bús­que­da­de­los­ope­ran­dos­y­el­al­ma­ce­na­mien­to del­re­sul­ta­do. Exis­ten­tres­ti­pos­de­CPU­en­cuan­to­a­la­for­ma­de­“pro­ce­sar”­las­ins­truc­cio­nes: • CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de más de 80 instrucciones de máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros. • RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores, están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones de máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador. • SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es "específico"; o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).

la unIDaD Central De ProCeso o CPu Es­el­ele­men­to­más­im­por­tan­te­del­mi­cro­con­tro­la­dor­y­de­ter­mi­-

36

Microcontroladores

Figura 1 - Areas en las que se usan los microcontroladores.

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­37

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

de los

M icroconTrolAdores A TMel

obtienen a partir de procesos fotoquímicos, donde se impregnan capas de silicio y óxido de silicio, y según convenga, se erosionan al exponerlos a la luz. Como no todos los puntos han de ser erosionados, se sitúa entre la luz y la oblea una máscara con agujeros, de manera que donde deba incidir la luz, ésta pasará. Con varios procesos similares, pero más complicados, se consigue fabricar los transistores y diodos que componen un Fifgura 2 - Arquitectura Von Neuman. circuito integrado. El alto precio del diseño de la la MeMorIa máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores, con este tipo de memoria, La­me­mo­ria­de­pro­gra­ma­y­da­tos­es­tá­in­te­gra­- cuando se precisan cantidades superiores a vada­en­el­pro­pio­cir­cui­to­in­te­gra­do.­Una­par­te­de­be rios miles de unidades. ser­no­vo­lá­til,­ti­po­ROM,­y­se­des­ti­na­a­con­te­ner • OTP: Es una memoria no volátil de sólo lecel­ pro­gra­ma­ de­ ins­truc­cio­nes­ que­ go­bier­na­ la tura "programable una sola vez" por el usuario. apli­ca­ción.­Otra­par­te­de­me­mo­ria­se­rá­ti­po­RAM, OTP (One Time Programmable). Es el usuario vo­lá­til,­y­se­des­ti­na­a­guar­dar­las­va­ria­bles­y­los quien puede escribir el programa en el chip meda­tos.­ diante un sencillo grabador controlado por un proLa­me­mo­ria­de­da­tos­(RAM)­en­es­tos­dis­po­si­- grama desde una PC. La versión OTP es recoti­vos­es­de­po­ca­ca­pa­ci­dad­pues­só­lo­de­be­con­- mendable cuando es muy corto el ciclo de diseño te­ner­las­va­ria­bles­y­los­cam­bios­de­in­for­ma­ción del producto, o bien, en la construcción de protoque­se­pro­duz­can­en­el­trans­cur­so­del­pro­gra­ma. tipos y series muy pequeñas. Por­otra­par­te,­co­mo­só­lo­exis­te­un­pro­gra­ma­ac­• EPROM: Erasable Programmable Read ti­vo,­no­se­re­quie­re­guar­dar­una­co­pia­del­mis­mo OnIy Memory, pueden borrarse y grabarse muen­la­RAM­pues­se­eje­cu­ta­di­rec­ta­men­te­des­de­la chas veces. La grabación se realiza, como en el me­mo­ria­de­pro­gra­ma­(ROM). caso de los OTP, con un grabador gobernado El­ usua­rio­ de­ PC­ es­tá­ ha­bi­tua­do­ a­ ma­ne­jar desde una PC. Si, posteriormente, se desea boMe­gaby­tes­ de­ me­mo­ria,­ pe­ro­ los­ di­se­ña­do­res rrar el contenido, disponen de una ventana de con­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ tra­ba­jan­ con­ ca­pa­ci­da­- cristal en su superficie, por la que se somete a la des­de­me­mo­ria­de­pro­gra­ma­de­512­by­tes,­1kB, EPROM a rayos ultravioleta durante varios minu2kB­y­has­ta­unos­128kB­y­de­RAM­de­32­by­tes, tos. Las cápsulas son de material cerámico y son 68­by­tes,­512­by­tes­(has­ta­unos­4kB). más caros que los microcontroladores con meExis­ten­ dis­tin­tos­ ti­pos­ de­ me­mo­rias­ y­ en­ un moria OTP, que están hechos con material plástimi­cro­con­tro­la­dor­ se­ pue­de­ en­con­trar­ cual­quie­ra co. Hoy día se utilizan poco, siendo sustituidas de­ellas: por memorias EEPROM o Flash. • EEPROM: Electrical Erasable Programma• ROM con máscara: Es una memoria no vo- ble Read OnIy Memory, son memorias de sólo látil de sólo lectura, cuyo contenido se graba du- lectura, programables y borrables eléctricamente rante la fabricación del chip. El término máscara EEPROM a través de la aplicación de una tenviene de la forma como se fabrican los circuitos sión de predisposición Vpp. Tanto la programaintegrados. Estos se fabrican en obleas que con- ción como el borrado se realizan eléctricamente tienen varias decenas de chips. Estas obleas se desde el propio grabador y bajo el control programado de una PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueFifgura 3 - Arquitectura Hardvard.

Microcontroladores

37

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­38

M AnuAles T écnicos : den grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua. Hoy día están siendo sustituidas por memorias de tipo Flash. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables, para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecúan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta. • FLASH: Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Son idóneas para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados "en circuito", es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este tipo de memoria incorporado al control del motor de un automóvil permite que pueda modificarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas piezas, etc.

Puertos De entraDa y salIDa La­prin­ci­pal­uti­li­dad­de­las­pa­tas­que­po­see­el chip­que­con­tie­ne­un­mi­cro­con­tro­la­dor­es­so­por­tar­las­lí­neas­de­E/S­que­co­mu­ni­can­al­com­pu­ta­-

38

Microcontroladores

dor­in­ter­no­con­los­pe­ri­fé­ri­cos­ex­te­rio­res­y,­se­gún los­con­tro­la­do­res­de­pe­ri­fé­ri­cos­que­po­sea­ca­da mo­de­lo­ de­ mi­cro­con­tro­la­dor,­ se­ des­ti­nan­ a­ pro­por­cio­nar­el­so­por­te­a­las­se­ña­les­de­en­tra­da,­sa­li­da­y­con­trol.­ To­dos­ los­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ des­ti­nan­ al­gu­nas­de­sus­pa­ti­llas­a­so­por­tar­lí­neas­de­E/S­de­ti­po­ di­gi­tal,­ es­to­ es,­ to­do­ o­ na­da.­ Por­ lo­ ge­ne­ral, es­tas­lí­neas­se­agru­pan­de­ocho­en­ocho­for­man­do­Puer­tos.­ Las­ lí­neas­ di­gi­ta­les­ de­ los­ Puer­tos­ pue­den con­fi­gu­rar­se­ co­mo­ En­tra­da­ o­ co­mo­ Sa­li­da,­ car­gan­do­un­1­ó­un­0­en­el­bit­co­rres­pon­dien­te­de­un re­gis­tro­des­ti­na­do­a­su­con­fi­gu­ra­ción.

reloj (CloCk) To­dos­los­mi­cro­con­tro­la­do­res­ dis­po­nen­ de un­ cir­cui­to­ os­ci­la­dor que­ ge­ne­ra­ una­ on­da cua­dra­da­ de­ al­ta­ fre­cuen­cia,­que­con­fi­gu­ra los­ im­pul­sos­ de­ re­loj usa­dos­ en­ la­ sin­cro­ni­za­ción­ de­ to­das­ las ope­ra­cio­nes­ del­ sis­te­ma.­El­cir­cui­to­de­re­loj­es­tá­in­cor­po­ra­do­en­el­mi­cro­con­tro­la­dor­ y­ só­lo­ se­ ne­ce­si­tan­ unos­ po­cos com­po­nen­tes­ex­te­rio­res­pa­ra­se­lec­cio­nar­y­es­ta­bi­li­zar­ la­ fre­cuen­cia­ de­ tra­ba­jo.­ Di­chos­ com­po­nen­tes­ sue­len­ con­sis­tir­ en­ un­ cris­tal­ de­ cuar­zo jun­to­ a­ ele­men­tos­ pa­si­vos­ o­ bien­ un­ re­so­na­dor ce­rá­mi­co­o­una­red­R-C.­Au­men­tar­la­fre­cuen­cia de­re­loj­su­po­ne­dis­mi­nuir­el­tiem­po­en­que­se­eje­cu­tan­ las­ ins­truc­cio­nes,­ pe­ro­ lle­va­ apa­re­ja­do­ un in­cre­men­to­ del­ con­su­mo­ de­ ener­gía­ y­ de­ ca­lor ge­ne­ra­do.

reCursos esPeCIales Del MICroControlaDor Ca­da­ fa­bri­can­te­ po­see­ nu­me­ro­sas­ ver­sio­nes de­ una­ ar­qui­tec­tu­ra­ bá­si­ca­ de­ mi­cro­con­tro­la­dor. En­al­gu­nas­fa­mi­lias­se­am­plía­las­ca­pa­ci­da­des­de las­me­mo­rias,­en­otras­se­in­cor­po­ran­nue­vos­re­cur­sos,­en­otras­se­re­du­ce­las­pres­ta­cio­nes­al­mí­ni­mo­pa­ra­apli­ca­cio­nes­muy­sim­ples,­etc.­El­tra­ba­jo­del­di­se­ña­dor­es­en­con­trar­el­mo­de­lo­mí­ni­mo­que­sa­tis­fa­ga­to­dos­los­re­que­ri­mien­tos­de­su apli­ca­ción.­Así,­mi­ni­mi­za­rá­el­cos­to,­el­hard­wa­re­y el­soft­wa­re.­Vea­mos­al­gu­nos­re­cur­sos:

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­39

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

de los

M icroconTrolAdores A TMel

Temporizadores y Contadores Los­tem­po­ri­za­do­res­se­em­plean­pa­ra­con­tro­lar­pe­río­dos­de­tiem­po­y­los­con­ta­do­res­pa­ra­lle­var­la­cuen­ta­de­acon­te­ci­mien­tos­que­su­ce­den­en el­ ex­te­rior.­ Pa­ra­ la­ me­di­da­ de­ tiem­pos­ se­ car­ga un­ re­gis­tro­ con­ el­ va­lor­ ade­cua­do­ y­ a­ con­ti­nua­ción­ di­cho­ va­lor­ se­ va­ in­cre­men­tan­do­ o­ de­cre­men­tan­do­al­rit­mo­de­los­im­pul­sos­de­re­loj­o­al­gún­múl­ti­plo­has­ta­que­se­des­bor­de­y­lle­gue­a­0, mo­men­to­en­el­que­se­pro­du­ce­un­avi­so­a­tra­vés del­cam­bio­de­in­for­ma­ción­en­una­va­ria­ble­o­re­gis­tro­ (re­gis­tro­ de­ có­di­go­ de­ con­di­cio­nes,­ por ejem­plo). Cuan­do­ se­ de­sean­ con­tar­ acon­te­ci­mien­tos que­se­ma­te­ria­li­zan­por­cam­bios­de­ni­vel­o­flan­cos­en­al­gu­na­de­las­pa­ti­llas­del­mi­cro­con­tro­la­dor, el­ men­cio­na­do­ re­gis­tro­ se­ va­ in­cre­men­tan­do­ o de­cre­men­tan­do­al­rit­mo­de­di­chos­im­pul­sos.

pre­ci­so­aho­rrar­pi­las;­co­mo­en­el­ca­so­de­los­con­tro­les­re­mo­tos,­don­de­el­sis­te­ma­es­tá­a­la­es­pe­ra de­que­el­usua­rio­opri­ma­una­te­cla.­Pa­ra­aho­rrar ener­gía,­los­mi­cro­con­tro­la­do­res­dis­po­nen­de­una ins­truc­ción­es­pe­cial­(SLEEP­en­al­gu­nos­mi­cros), que­les­pa­sa­al­es­ta­do­de­re­po­so­o­de­ba­jo­con­su­mo,­en­el­cual­los­re­que­ri­mien­tos­de­po­ten­cia son­mí­ni­mos.­ En­di­cho­es­ta­do­se­de­tie­ne­el­re­loj­prin­ci­pal­y se­"con­ge­lan"­sus­cir­cui­tos­aso­cia­dos,­que­dan­do el­mi­cro­con­tro­la­dor­su­mi­do­en­un­pro­fun­do­"sue­ño".­Al­ac­ti­var­se­una­in­te­rrup­ción­oca­sio­na­da­por el­ acon­te­ci­mien­to­ es­pe­ra­do,­ el­ mi­cro­con­tro­la­dor se­des­pier­ta­y­rea­nu­da­su­tra­ba­jo.­Pa­ra­ha­cer­nos una­idea,­es­ta­fun­ción­es­pa­re­ci­da­a­la­op­ción­de Sus­pen­der­en­el­me­nú­pa­ra­apa­gar­el­equi­po­(en aque­llas­ PCs­ con­ ad­mi­nis­tra­ción­ avan­za­da­ de ener­gía).

Perro Guardián o "Watchdog" Nor­mal­men­te,­cuan­do­un­or­de­na­dor­per­so­nal se­blo­quea­por­un­fa­llo del­ soft­wa­re­ u­ otra cau­sa,­ se­ pul­sa­ el­ bo­tón­del­re­set­y­se­rei­ni­cia­ el­ sis­te­ma.­ Un­ mi­cro­con­tro­la­dor­ sue­le fun­cio­nar­sin­el­con­trol de­ un­ su­per­vi­sor­ y­ de for­ma­ con­ti­nua­da­ las 24­ho­ras­del­día.­El­Pe­rro­ Guar­dián­ con­sis­te en­ un­ tem­po­ri­za­dor que,­ cuan­do­ se­ des­bor­da­ y­ pa­sa­ por­ 0, pro­vo­ca­un­re­set­au­to­má­ti­ca­men­te­en­el­sis­te­ma­y­ge­ne­ral­men­te­se­usa­pa­ra­“de­tec­tar”­fa­llas de­pro­gra­mas­que­oca­sio­na­rían­que­el­mi­cro­se que­de­ tra­ba­jan­do­ den­tro­ de­ un­ loop­ in­de­fi­ni­da­men­te.­ Se­ de­be­ di­se­ñar­ el­ pro­gra­ma­ de­ tra­ba­jo que­ con­tro­la­ la­ ta­rea­ de­ for­ma­ que­ re­fres­que­ o ini­cia­li­ce­al­Pe­rro­Guar­dián­an­tes­de­que­pro­vo­que­el­re­set.­Si­fa­lla­el­pro­gra­ma­o­se­blo­quea,­el pro­gra­ma­ no­ re­fres­ca­rá­ al­ Pe­rro­ Guar­dián­ y,­ al com­ple­tar­ su­ tem­po­ri­za­ción,­ pro­vo­ca­rá­ el­ re­set del­sis­te­ma.

Procesamiento de Señales Analógicas Los­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ que­ in­cor­po­ran­ un Con­ver­sor­A/D­ (Ana­ló­gi­co­/Di­gi­tal)­ pue­den pro­ce­sar­ se­ña­les­ ana­ló­gi­cas,­ tan­ abun­dan­tes­en­las­apli­ca­cio­nes. Sue­len­dis­po­ner­de­un mul­ti­ple­xor­ que­ per­mi­te­ apli­car­ a­ la­ en­tra­da del­ CAD­ di­ver­sas­ se­ña­les­ ana­ló­gi­cas­ des­de­ las­ pa­ti­llas­ del­ cir­cui­to­in­te­gra­do. Por­otra­par­te­un­CDA o­ con­ver­sor­ D/A­ trans­for­ma­ los­ da­tos­ di­gi­ta­les­ ob­te­ni­dos­ del­ pro­ce­sa­mien­to­ de­ la­ com­pu­ta­dor­ en­ su­ co­rres­pon­dien­te­ se­ñal­ ana­ló­gi­ca­ que­ sa­ca­ al­ ex­te­rior­ por una­de­las­pa­ti­llas­de­la­cáp­su­la.­Exis­ten­mu­chos dis­po­si­ti­vos­ de­ sa­li­da­ que­ tra­ba­jan­ con­ se­ña­les ana­ló­gi­cas. Al­gu­nos­ mo­de­los­ de­ mi­cro­con­tro­la­do­res­ dis­po­nen­ in­ter­na­men­te­ de­ un­ Am­pli­fi­ca­dor­ Ope­ra­cio­nal,­que­ac­túa­co­mo­com­pa­ra­dor­en­tre­una­se­ñal­fi­ja­de­re­fe­ren­cia­y­otra­va­ria­ble­que­se­apli­ca por­una­de­las­pa­ti­llas­de­la­cáp­su­la.­La­sa­li­da­del com­pa­ra­dor­pro­por­cio­na­un­ni­vel­ló­gi­co­1­ó­0­se­gún­una­se­ñal­sea­ma­yor­o­me­nor­que­la­otra. Tam­bién­ hay­ mo­de­los­ de­ mi­cro­con­tro­la­do­res con­un­mó­du­lo­de­ten­sión­de­re­fe­ren­cia­que­pro­por­cio­na­di­ver­sas­ten­sio­nes­de­re­fe­ren­cia­que­se pue­den­apli­car­en­los­com­pa­ra­do­res.

Sleep, Estado de Reposo ó de Bajo Consumo En­ mu­chas­ si­tua­cio­nes­ de­ tra­ba­jo­ en­ que­ el mi­cro­con­tro­la­dor­de­be­es­pe­rar,­sin­ha­cer­na­da,­a que­ se­ pro­duz­ca­ al­gún­ acon­te­ci­mien­to­ ex­ter­no que­ le­ pon­ga­ de­ nue­vo­ en­ fun­cio­na­mien­to,­ es

Microcontroladores

39

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­40

M AnuAles T écnicos : Protección "Brownout" Es­ta­pro­tec­ción­la­rea­li­za­un­cir­cui­to­que­re­se­tea­al­mi­cro­con­tro­la­dor­cuan­do­la­ten­sión­de­ali­men­ta­ción­(VDD)­es­in­fe­rior­a­un­mí­ni­mo­("brow­nout").­ Mien­tras­la­ten­sión­de­ali­men­ta­ción­sea­in­fe­rior­al­de­brow­nout,­el­dis­po­si­ti­vo­se­man­tie­ne­re­se­tea­do,­ co­men­zan­do­ a­ fun­cio­nar­ nor­mal­men­te cuan­do­ so­bre­pa­sa­ di­cho­ va­lor.­ Es­to­ es­ muy­ útil pa­ra­evi­tar­da­tos­erró­neos­por­tran­si­cio­nes­y­rui­dos­en­la­lí­nea­de­ali­men­ta­ción. Modulador de Ancho de Pulsos o PWM Son­ cir­cui­tos­ que­ pro­por­cio­nan­ en­ su­ sa­li­da im­pul­sos­de­an­chu­ra­va­ria­ble,­que­se­ofre­cen­al ex­te­rior­a­tra­vés­de­las­pa­ti­llas­del­en­cap­su­la­do. Es­útil­pa­ra­sis­te­mas­de­con­trol­de­po­ten­cia,­co­mo­por­ejem­plo­mo­to­res. Puertos de Comunicación Pa­ra­ que­ el­ mi­cro­ se­ pue­da­ co­mu­ni­car­ con otros­dis­po­si­ti­vos,­otros­bu­ses­de­mi­cro­pro­ce­sa­do­res,­bu­ses­de­sis­te­mas,­bu­ses­de­re­des­y­po­der­ adap­tar­los­ con­ otros­ ele­men­tos­ ba­jo­ otras nor­mas­y­pro­to­co­los­es­pre­ci­so­agre­gar­le­uni­da­des­o­puer­tos­de­co­mu­ni­ca­ción.­ Al­gu­nos­ mo­de­los­ dis­po­nen­ de­ re­cur­sos­ que per­mi­ten­ di­rec­ta­men­te­ es­ta­ ta­rea,­ en­tre­ los­ que des­ta­can: • UART, adaptador de comunicación serie asincrónica. • USART, adaptador de comunicación serie sincrónica y asincrónica. • Puerto paralelo esclavo para poder conectarse con los buses de otros microprocesadores. • USB (Universal Serial Bus). • Bus I2C, que es una interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips. • Interface SPI, un puerto serie sincrónico. • CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O. • TCP/IP, ya existen microcontroladores con un adaptador de comunicación para este protocolo. Tanto el I2C en televisores, como el Bus CAN en automóviles, fueron diseñados para simplificar el circuito que supone un bus paralelo de 8 líneas dentro de un televisor, así como para librar de la carga que supone una cantidad ingente de cables en un vehículo.

40

Microcontroladores

los MICroControlaDores aVr La­ em­pre­sa­At­mel­ ha­ de­sa­rro­lla­do­ una­ gran can­ti­dad­de­mi­cro­con­tro­la­do­res­en­di­fe­ren­tes­ga­mas,­de­for­ma­si­mi­lar­a­lo­que­ha­he­cho­la­em­pre­sa­Mi­cro­chip­con­nues­tros­vie­jos­ami­gos:­“los PICs”. Qui­zá,­ el­ más­ po­pu­lar­ es­ el­ AT­MEL AT90S1200,­ que­ es­ al­go­ así­ co­mo­ el­ 16F84­ de Mi­cro­chip­(en­cuan­to­a­po­pu­la­ri­dad­se­re­fie­re).­A con­ti­nua­ción­se­rea­li­za­al­gu­nos­da­tos­com­pa­ra­ti­vos­en­tre­el­AT90S1200­y­el­PIC16F84: Nº de instrucciones: AVR - 89, PIC - 35 Registros RAM: AVR - 32, PIC - 68 Velocidad: AVR - 12MHz, PIC: 20MHz Memoria de Programa: AVR - 1kByte FLASH (512 líneas de programa, 16bits por inst.), PIC:1kx14 (1024 líneas de programa de 14 bit cada una). Memoria EEPROM libre: AVR - 64Bytes, PIC - 64Bytes Salidas: AVR - 15, PIC - 13 TIMER: AVR - 1 de 8bit (con prescaler desde CK hasta CK/1024), PIC - 1 de 8 bit (con prescaler desde 1:2 hasta 1:256) Comparador Analógico (NO ADC): AVR - 1 PIC - NO POSEE Watchdog: Ambos poseen Oscilador interno: Ambos poseen, en el AVR sólo habilitable con programación paralela Niveles de pila (STACK): AVR - 3, PIC - 8 Interrupciones: AVR - reset, interna, externa, timer y por comparador analógico, PIC - 5 interrupciones Bá­si­ca­men­te,­los­AVR­tie­nen­3­re­gis­tros­pa­ra ca­da­puer­to­de­sa­li­da­a­sa­ber: • DDRB - Sirve para decir qué patas son de entrada o salida, “0” es entrada, “1” es salida (es inverso a los PIC). • PINB - Registro que sirve para entradas solamente. • PORTB - Registro que sirve para salidas solamente. Es­to­ sig­ni­fi­ca­ que­ pa­ra­ leer­ una­ en­tra­da­ se de­be­usar­el­re­gis­tro­PINB­mien­tras­que­pa­ra­es­cri­bir­da­tos­en­una­sa­li­da­se­de­be­em­plear­el­re­gis­tro­PORTB­(ob­via­men­te­si­ha­ce­mos­re­fe­ren­cia a­las­pa­tas­del­puer­to­B). En­el­AT­MEL­AT90S1200­el­PortB­tie­ne­8­bits

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­41

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

de­da­tos,­a­di­fe­ren­cia­del­PORTD­que­tie­ne­só­lo 7.­El­bit­7­del­PORTD­no­se­em­plea;­PORTD­tam­bién­ cons­ta­ de­ 3­ re­gis­tros:­ DDRD,­ PORTD­ y PIND.

los atMel De uso autoMotrIz Por algún micro debemos empezar… Cuan­do­co­men­za­mos­a­rea­li­zar­ar­tí­cu­los­con mi­cro­con­tro­la­do­res­ PIC­ en­ Sa­ber­ Elec­tró­ni­ca, allá­por­1998,­ele­gi­mos­el­16F84­y­nues­tro­“mo­de­lo­o­men­tor”­era­el­vie­jo­y­co­no­ci­do­Da­vid­Ta­te. Con­ver­san­do­ con­ el­ Ing.­ Is­mael­ Cer­van­tes­ y­ en ba­se­ al­ tra­ba­jo­ que­ es­tá­ rea­li­zan­do­ el­ Ing.­ Luís Ro­ber­to­ Ro­drí­guez,­ lle­gué­ a­ la­ con­clu­sión­ que de­bía­re­cu­rrir­a­la­fuen­te­y­así­de­ter­mi­né­que­lo me­jor­es­rea­li­zar­la­des­crip­ción­de­va­rios­mo­de­los,­ta­rea­que­ire­mos­de­sa­rro­llan­do­en­di­fe­ren­tes edi­cio­nes­ de­ nues­tra­ que­ri­da­ re­vis­ta.­ En­ es­ta opor­tu­ni­dad­es­pe­ci­fi­ca­re­mos­al­gu­nas­ca­rac­te­rís­ti­cas­y­des­cri­bi­re­mos­el­fun­cio­na­mien­to­de­la­se­rie­de­uso­au­to­mo­tor­AT­tiny­25/45/85.­­A­su­vez, pa­ra­con­cluir,­da­re­mos­los­cir­cui­tos­de­pro­gra­ma­do­res­ de­ al­gu­nos­ mo­de­los­ con­ li­cen­cia­ li­bre GNU.

la serIe attIny 25/45/85 El­ AT­tiny­ 25/45/85­ es­ un­ mi­cro­con­tro­la­dor CMOS­de­8­bits­de­ba­ja­po­ten­cia­ba­sa­do­en­la­ar­qui­tec­tu­ra­ RISC­ me­jo­ra­da­ del­AVR.­ Me­dian­te­ la eje­cu­ción­de­po­de­ro­sas­ins­truc­cio­nes­en­un­so­lo ci­clo­de­re­loj,­el­AT­tiny­25/45/85­lo­gra­una­pro­duc­ción­que­al­can­za­1MIPS­por­MHz,­per­mi­tién­do­le al­ di­se­ña­dor­ de­ sis­te­mas­ op­ti­mi­zar­ la­ re­la­ción con­su­mo­de­po­ten­cia-ve­lo­ci­dad­de­pro­ce­sa­mien­to. Las­ prin­ci­pa­les­ ca­rac­te­rís­ti­cas­ del­ dis­po­si­ti­vo son­las­si­guien­tes: * Alto desempeño, baja potencia. * Arquitectura RISC avanzada: -120 instrucciones poderosas, la mayoría con ejecución de un solo ciclo de reloj. -32x8 registros de trabajo de propósito general. -operación totalmente estática. * Programa y Memoria de Datos no volátiles: -2/4/8 kbytes de Memoria Flash Progra-

de los

M icroconTrolAdores A TMel

mable en el sistema, con duración: 10000 ciclos de escritura/borrado. -128/256/512 bytes de EEPROM programable en el sistema, con duración: 100000 ciclos de escritura/borrado. -128/256/512 bytes de SRAM interna. -Cerrojo de programación para autoprogramar la Memoria Flash y Seguridad de Datos de EEPROM. * Características Periféricas: -Contador/Temporizador de 8 bits con Prescaler y dos canales PWM. -Contador/Temporizador de Alta Velocidad de 8 bits con Prescaler separado: ·Dos Salidas PWM de Alta Frecuencia con Registros de Comparación de Salida separados. ·Generador Programable de Tiempo Muerto. -Interfaz Serie Universal con Detector de Condición de Comienzo. -ADC de 10 bits: ·Cuatro Canales de Una Sola Salida. ·Dos Pares de Canales ADC Diferenciales con Ganancia Programable (1x, 20x). -Temporizador Programable de Vigilancia con Oscilador separado dentro del integrado. -Comparador Analógico dentro del integrado. * Características Especiales del Microcontrolador: -Sistema de Depuración debugWIRE dentro del integrado. -Programable dentro del Sistema a través del Puerto SPI. -Fuentes de Interrupción Externas e Internas. -Modos de Descanso en Baja Potencia, de Reducción de Ruido de ADC, y de Reducción de Potencia. -Circuito Mejorado de Reinicialización de Encendido. -Circuito Programable de Detección de Brown-out (estado en que la tensión es entre un 8 y un 12% inferior al valor típico) . -Oscilador Calibrado interno. * Entradas/Salidas y Encapsulados: -Seis Líneas Programables de Entrada/Salida. -SOIC de 8 patas.

Microcontroladores

41

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­42

M AnuAles T écnicos : * Tensión de Funcionamiento: -2,7 a 5,5V * Rango de Velocidades: -ATtiny25/45/85: 0-8 MHz@2,7-5,5V, 016MHz @4,5-5,5V. * Rango de Temperaturas del Automóvil: -de -40ºC a +125ºC * Bajo Consumo de Potencia: -Modo Activo: 1MHz, 2,7V : 500µA -Modo de Potencia Reducida: 2µA con 2,7V. La­fi­gu­ra­4­mues­tra­la­dis­po­si­ción­de­ter­mi­na­les­de­es­te­mi­cro­con­tro­la­dor.

DIagraMa en Bloques En­la­fi­gu­ra­4­se­pue­de­ob­ser­var­el­dia­gra­ma en­blo­ques­de­la­se­rie­AT­tiny­25/45/85­de­AT­mel. El­ nú­cleo­ del­AVR­ com­bi­na­ un­ con­jun­to­ ri­co de­ ins­truc­cio­nes­ con­ 32­ re­gis­tros­ de­ tra­ba­jo­ de pro­pó­si­to­ge­ne­ral.­ Los­32­re­gis­tros­es­tán­di­rec­ta­men­te­co­nec­ta­dos­ a­ la­ Uni­dad­Arit­mé­ti­co-Ló­gi­ca­ (ALU),­ per­mi­tien­do­que­2­re­gis­tros­in­de­pen­dien­tes­se­ac­ce­dan en­una­so­la­ins­truc­ción­eje­cu­ta­da­en­un­ci­clo­de re­loj.­ La­ar­qui­tec­tu­ra­re­sul­tan­te­es­más­efi­cien­te­en lo­ que­ res­pec­ta­ a­ có­di­go,­ en­ tan­to­ que­ lo­gra­ un ren­di­mien­to­has­ta­10­ve­ces­­su­pe­rior­que­los­mi­cro­con­tro­la­do­res­con­ven­cio­na­les­CISC. De­ las­ ca­rac­te­rís­ti­cas­ enun­cia­das­ an­te­rior­men­te,­so­bre­el­AT­tiny­25/45/85­po­de­mos­des­ta­car­las­si­guien­tes:­2/4/8kB­de­Me­mo­ria­Flash­Pro­gra­ma­ble­ en­ el­ Sis­te­ma,­ 128/256/512­ by­tes­ de EE­PROM,­128/256/256­by­tes­de­SRAM,­6­lí­neas de­en­tra­da­/sa­li­da­de­pro­pó­si­to­ge­ne­ral,­32­re­gis­tros­de­tra­ba­jo­de­pro­pó­si­to­ge­ne­ral,­un­Tem­po­ri­za­dor­/Con­ta­dor­de­8­bits­con­mo­dos­de­com­pa­ra­ción,­un­Tem­po­ri­za­dor­/Con­ta­dor­de­al­ta­ve­lo­ci­dad de­ 8­ bits,­ una­ In­ter­faz­ Se­rie­ Uni­ver­sal,­ In­te­rrup­cio­nes­In­ter­nas­y­Ex­ter­nas,­un­ADC­de­4­ca­na­les de­10­bits,­un­Tem­po­ri­za­dor­Pro­gra­ma­ble­de­Vi­gi­lan­cia­con­Os­ci­la­dor­In­ter­no­y­3­mo­dos­de­aho­rro de­po­ten­cia­se­lec­cio­na­bles­por­soft­wa­re.­ El­mo­do­de­Des­can­so­de­tie­ne­la­CPU­en­tan­to­ que­ per­mi­te­ que­ la­ SRAM,­ el­ Tem­po­ri­za­dor­/Con­ta­dor,­el­­ADC,­el­Com­pa­ra­dor­Ana­ló­gi­co,­y el­ sis­te­ma­ de­ In­te­rrup­ción­ si­gan­ tra­ba­jan­do.­ El mo­do­de­Re­duc­ción­de­Po­ten­cia­guar­da­el­con­te­-

42

Microcontroladores

ni­do­de­los­re­gis­tros,­in­ha­bi­li­tan­do­to­das­las­fun­cio­nes­ del­ in­te­gra­do­ has­ta­ la­ si­guien­te­ In­te­rrup­ción­o­Rei­ni­cia­li­za­ción.­El­mo­do­de­Re­duc­ción­de Rui­do­del­ADC­de­tie­ne­la­CPU­y­to­dos­los­mó­du­los­de­E/S­ex­cep­to­el­ADC,­a­fin­de­mi­ni­mi­zar­el rui­do­ de­ con­mu­ta­ción­ du­ran­te­ las­ con­ver­sio­nes del­ADC. El­dis­po­si­ti­vo­se­fa­bri­ca­usan­do­la­tec­no­lo­gía de­me­mo­ria­no-vo­lá­til­y­al­ta­den­si­dad­de­AT­MEL. El­sis­te­ma­de­in­ter­faz­se­rial­que­ma­ne­ja­el­in­te­gra­do­per­mi­te­que­la­Me­mo­ria­de­Pro­gra­ma­se re­pro­gra­me­en­el­sis­te­ma­a­tra­vés­de­una­in­ter­faz se­rie­(SPI)­me­dian­te­un­pro­gra­ma­dor­con­ven­cio­nal­de­me­mo­rias­no-vo­lá­ti­les­o­me­dian­te­un­có­di­go­ de­ car­ga­ in­cor­po­ra­do­ en­ el­ in­te­gra­do­ que­ se eje­cu­ta­en­el­nú­cleo­del­AVR. El­ AVR­ tie­ne­ un­ so­por­te­ ­ ba­sa­do­ en­ he­rra­mien­tas­ de­ de­sa­rro­llo­ del­ sis­te­ma­ ­ y­ de­ pro­gra­ma­ción­que­in­clu­yen:­Com­pi­la­do­res­C,­Ma­croen­sam­bla­do­res,­De­pu­ra­dor­/Si­mu­la­do­res­de­Pro­gra­ma,­ Emu­la­do­res­ en­ el­ Cir­cui­to­ y­ Con­jun­tos­ de Com­po­nen­tes­de­Eva­lua­ción. Es­te­ mi­cro­con­tro­la­dor­ ha­ si­do­ de­sa­rro­lla­do­ y fa­bri­ca­do­de­acuer­do­con­los­re­que­ri­mien­tos­más exi­gen­tes­ de­ la­ nor­ma­ in­ter­na­cio­nal­ ISO-TS16949­que­de­fi­ne­los­gra­dos­de­ca­li­dad­pa­ra­uso au­to­mo­triz.

DesCrIPCIón De los PInes: Vcc: Ten­sión­de­ali­men­ta­ción. gnD: Ma­sa,­tie­rra. Puerto B (PB5… PB0): El­ Puer­to­ B­ es­ un puer­to­de­E/S­bi­di­rec­cio­nal­de­6­bits­con­re­sis­to­res­ pull-up­ in­ter­nos­ (se­lec­cio­na­bles­ pa­ra­ ca­da bit).­Los­buf­fers­de­sa­li­da­del­puer­to­B­tie­nen­ca­rac­te­rís­ti­cas­si­mé­tri­cas­de­ex­ci­ta­ción­con­al­ta­ca­pa­ci­dad,­tan­to­de­fuen­te­co­mo­de­su­mi­de­ro.­Co­mo­en­tra­das,­las­pa­tas­del­Puer­to­B­que­ex­ter­na­men­te­ se­ po­nen­ en­ 0­ en­tre­ga­rán­ co­rrien­te­ si­ se ac­ti­van­los­re­sis­to­res­pull-up.Las­pa­tas­del­Puer­to­ B­ son­ del­ ti­po­ tri-sta­te­ cuan­do­ se­ ac­ti­va­ una con­di­ción­ de­ rei­ni­cia­li­za­ción,­ aun­que­ el­ re­loj­ no es­té­fun­cio­nan­do. reset: En­tra­da­de­Rei­ni­cia­li­za­ción.­Un­0­en es­ta­pa­ta,­du­ran­te­más­de­un­pul­so­mí­ni­mo,­ge­ne­ra­rá­una­rei­ni­cia­li­za­ción­aun­que­el­re­loj­no­es­té­fun­cio­nan­do.

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­43

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

de los

M icroconTrolAdores A TMel

Figura 4 - Diagrama en bloques del microcontrolador ATtiny 25/45/85 de ATmel.

Microcontroladores

43

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­44

M AnuAles T écnicos : la CPu Del aVr Tra­ta­re­mos­la­ar­qui­tec­tu­ra­del­nú­cleo­del­AVR en­ge­ne­ral.­La­fun­ción­prin­ci­pal­del­nú­cleo­de­la CPU­es­ase­gu­rar­una­co­rrec­ta­eje­cu­ción­del­pro­gra­ma.­La­CPU,­por­lo­tan­to,­de­be­ac­ce­der­a­me­mo­rias,­ rea­li­zar­ cál­cu­los,­ con­tro­lar­ pe­ri­fé­ri­cos,­ y ma­ne­jar­in­te­rrup­cio­nes. En­la­fi­gu­ra­5­se­pue­de­ob­ser­var­­la­ar­qui­tec­tu­ra­de­la­CPU.­A­fin­de­ma­xi­mi­zar­el­de­sem­pe­ño y­el­pa­ra­le­lis­mo,­el­AVR­usa­una­ar­qui­tec­tu­ra­Har­vard,­ con­ me­mo­rias­ y­ bu­ses­ se­pa­ra­dos­ pa­ra­ el pro­gra­ma­y­los­da­tos.­Las­ins­truc­cio­nes­­que­es­tán­en­la­me­mo­ria­de­Pro­gra­ma­se­eje­cu­tan­con un­so­lo­ni­vel­de­trans­mi­sión­por­con­duc­tos.­Mien­tras­que­se­eje­cu­ta­una­ins­truc­ción,­se­ex­trae­la si­guien­te­ins­truc­ción­de­la­me­mo­ria­de­Pro­gra­ma.

Es­te­ con­cep­to­ per­mi­te­ que­ las­ ins­truc­cio­nes­ se eje­cu­ten­ en­ ca­da­ ci­clo­ de­ re­loj.­ La­ me­mo­ria­ de pro­gra­ma­es­la­me­mo­ria­flash­re­pro­gra­ma­ble­en el­Sis­te­ma. El­Ar­chi­vo­de­Re­gis­tros­de­ac­ce­so­rá­pi­do­con­tie­ne­32­re­gis­tros­de­tra­ba­jo­de­pro­pó­si­to­ge­ne­ral de­8­bits­con­un­tiem­po­de­ac­ce­so­de­un­so­lo­ci­clo­de­re­loj.­Es­to­per­mi­te­la­ope­ra­ción­de­la­Uni­dad­Arit­mé­ti­co­Ló­gi­ca­(ALU)­en­un­só­lo­ci­clo.­En una­tí­pi­ca­ope­ra­ción­de­la­ALU,­se­to­man­2­ope­ran­dos­ del­ Ar­chi­vo­ de­ Re­gis­tros,­ se­ eje­cu­ta­ la ope­ra­ción,­ y­ el­ re­sul­ta­do­ se­ al­ma­ce­na­ nue­va­men­te­en­el­Ar­chi­vo­de­Re­gis­tros­en­un­ci­clo­de re­loj. Seis­de­los­32­re­gis­tros­se­pue­den­usar­co­mo 3­re­gis­tros­apun­ta­do­res­de­di­rec­cio­na­mien­to­in­di­rec­to­ de­ 16­ bits­ pa­ra­ el­ di­rec­cio­na­mien­to­ en­ el

Figura 5 - Arquitectura de la CPU del microcontrolador ATtiny 25/45/85 de ATmel.

44

Microcontroladores

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­45

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

Es­pa­cio­de­Da­tos,­per­mi­tien­do­efi­cien­tes­cál­cu­los de­di­rec­cio­nes.­Uno­de­es­tos­apun­ta­do­res­de­di­rec­cio­nes­ tam­bién­ se­ pue­de­ usar­ co­mo­ apun­ta­dor­de­di­rec­cio­nes­pa­ra­ta­blas­de­con­sul­ta­en­la me­mo­ria­Flash­de­Pro­gra­ma.­Es­tos­re­gis­tros­fun­cio­na­les­agre­ga­dos­son­los­re­gis­tros­X,­Y­y­Z­de 16­bits. La­ALU­so­por­ta­ope­ra­cio­nes­arit­mé­ti­cas­y­ló­gi­cas­en­tre­re­gis­tros­o­en­tre­una­cons­tan­te­y­un re­gis­tro.­Las­ope­ra­cio­nes­de­un­so­lo­re­gis­tro­tam­bién­se­pue­den­eje­cu­tar­en­la­ALU.­Lue­go­de­una ope­ra­ción­arit­mé­ti­ca,­el­Re­gis­tro­de­Es­ta­do­se­ac­tua­li­za­pa­ra­re­fle­jar­la­in­for­ma­ción­so­bre­el­re­sul­ta­do­de­la­ope­ra­ción. El­Pro­gra­ma­tie­ne­ins­truc­cio­nes­de­sal­to­con­di­cio­nal­e­in­con­di­cio­nal­e­ins­truc­cio­nes­de­lla­ma­da,­ca­pa­ces­de­di­rec­cio­nar­en­for­ma­di­rec­ta­to­do el­es­pa­cio­de­di­rec­cio­nes.­La­ma­yo­ría­de­las­ins­truc­cio­nes­del­AVR­tie­nen­un­so­lo­for­ma­to­de­pa­la­bra­ de­ 16­ bits.­ Ca­da­ di­rec­ción­ de­ me­mo­ria­ de Pro­gra­ma­con­tie­ne­una­ins­truc­ción­de­16­o­de­32 bits. Du­ran­te­ las­ in­te­rrup­cio­nes­ y­ las­ lla­ma­das­ a su­bru­ti­na,­el­Con­ta­dor­de­Pro­gra­ma­de­di­rec­ción de­re­tor­no­(PC)­se­al­ma­ce­na­en­la­Pi­la.­La­Pi­la­se ubi­ca­en­la­SRAM­de­da­tos­ge­ne­ra­les,­y­en­con­se­cuen­cia­el­ta­ma­ño­de­la­Pi­la­só­lo­es­tá­li­mi­ta­do por­el­ta­ma­ño­to­tal­de­la­SRAM­y­su­uso.­To­dos los­pro­gra­mas­del­usua­rio­de­ben­ini­cia­li­zar­el­SP en­la­ru­ti­na­de­rei­ni­cia­li­za­ción­(an­tes­que­se­eje­cu­ten­las­su­bru­ti­nas­o­las­in­te­rrup­cio­nes).­El­Pun­te­ro­de­Pi­la­­(SP)­se­pue­de­leer­/es­cri­bir­en­el­es­pa­cio­de­E/S.­La­SRAM­de­da­tos­se­pue­de­ac­ce­der­ fá­cil­men­te­ me­dian­te­ 5­ mo­dos­ di­fe­ren­tes­ de di­rec­cio­na­mien­to­ so­por­ta­dos­ en­ la­ ar­qui­tec­tu­ra del­AVR. Los­ es­pa­cios­ de­ me­mo­ria­ en­ la­ ar­qui­tec­tu­ra del­AVR­son­to­dos­li­nea­les­y­re­gu­la­res. Un­ mó­du­lo­ de­ in­te­rrup­ción­ fle­xi­ble­ tie­ne­ sus re­gis­tros­de­con­trol­en­el­es­pa­cio­de­E/S­con­un bit­adi­cio­nal­de­Ha­bi­li­ta­ción­de­In­te­rrup­ción­Glo­bal­en­el­Re­gis­tro­de­Es­ta­do.­To­das­las­in­te­rrup­cio­nes­tie­nen­un­Vec­tor­de­In­te­rrup­ción­se­pa­ra­do en­la­ta­bla­de­Vec­to­res­de­In­te­rrup­ción.­Las­in­te­rrup­cio­nes­ tie­nen­ una­ prio­ri­dad­ de­ acuer­do­ con

de los

M icroconTrolAdores A TMel

su­po­si­ción­en­la­ta­bla.­Cuan­to­más­ba­ja­es­la­di­rec­ción­del­Vec­tor­de­In­te­rrup­cio­nes,­más­al­ta­es la­prio­ri­dad. El­es­pa­cio­de­me­mo­ria­de­E/S­con­tie­ne­64­di­rec­cio­nes­pa­ra­­fun­cio­nes­pe­ri­fé­ri­cas­de­la­CPU co­mo­Re­gis­tros­de­Con­trol,­SPI,­y­otras­fun­cio­nes de­E/S.­La­me­mo­ria­de­E/S­se­pue­de­ac­ce­der­di­rec­ta­men­te,­ o­ co­mo­ las­ po­si­cio­nes­ del­ Es­pa­cio de­Da­tos­que­es­tán­a­con­ti­nua­ción­de­las­del­Ar­chi­vo­de­Re­gis­tros,­0x20-0x5F.

la unIDaD arItMétICo-lógICa (alu) La­ALU­ del­ ­AVR­ de­ al­to­ de­sem­pe­ño­ tra­ba­ja en­co­ne­xión­di­rec­ta­con­to­dos­los­32­re­gis­tros­de tra­ba­jo­ de­ pro­pó­si­to­ ge­ne­ral.­ Den­tro­ de­ un­ so­lo ci­clo­de­re­loj­se­eje­cu­tan­las­ope­ra­cio­nes­arit­mé­ti­cas­en­tre­re­gis­tros­de­pro­pó­si­to­ge­ne­ral­o­en­tre un­re­gis­tro­y­uno­in­me­dia­to.­Las­ope­ra­cio­nes­de la­ ALU­ se­ di­vi­den­ en­ 3­ ca­te­go­rías­ prin­ci­pa­les: arit­mé­ti­cas,­ló­gi­cas,­y­fun­cio­nes­con­bits.­Al­gu­nas im­ple­men­ta­cio­nes­de­la­ar­qui­tec­tu­ra­tam­bién­pro­veen­ un­ po­de­ro­so­ mul­ti­pli­ca­dor­ que­ so­por­ta­ la mul­ti­pli­ca­ción­ con­ sig­no,­ ­ sin­ sig­no­ y­ el­ for­ma­to frac­cio­nal.

el regIstro De estaDo El­ Re­gis­tro­ de­ Es­ta­do­ con­tie­ne­ in­for­ma­ción so­bre­el­re­sul­ta­do­de­la­ins­truc­ción­más­re­cien­te­men­te­eje­cu­ta­da.­Es­ta­in­for­ma­ción­se­pue­de­usar pa­ra­al­te­rar­el­flu­jo­del­pro­gra­ma­a­fin­de­eje­cu­tar ope­ra­cio­nes­ con­di­cio­na­les.­ No­te­mos­ que­ el­ Re­gis­tro­ de­ Es­ta­do­ se­ ac­tua­li­za­ des­pués­ de­ to­das las­ope­ra­cio­nes­de­la­ALU.­Es­to,­en­mu­chos­ca­sos,­evi­ta­la­ne­ce­si­dad­de­usar­ins­truc­cio­nes­de com­pa­ra­ción­ es­pe­cia­les,­ re­sul­tan­do­ un­ có­di­go más­com­pac­to­y­más­rá­pi­do. El­ Re­gis­tro­ de­ Es­ta­do­ no­ se­ al­ma­ce­na­ au­to­má­ti­ca­men­te­cuan­do­se­in­gre­sa­a­una­ru­ti­na­de in­te­rrup­ción­y­se­vuel­ve­a­al­ma­ce­nar­cuan­do­se re­gre­sa­de­una­in­te­rrup­ción.­Es­to­se­ma­ne­ja­me­dian­te­el­soft­wa­re.

Figura 6 - El registro de estado del microcontrolador ATtiny 25/45/85 de ATmel.

Microcontroladores

45

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­46

M AnuAles T écnicos : El­Re­gis­tro­de­Es­ta­do­del­AVR­(SREG)­po­see una­es­truc­tu­ra­co­mo­la­mos­tra­da­en­la­fi­gu­ra­6. Bit 7-I: Habilitación Global de Interrupción. Es­te­bit­de­be­po­ner­se­en­1­pa­ra­que­se­ha­bi­li­ten­ las­ in­te­rrup­cio­nes.­ El­ con­trol­ in­di­vi­dual­ de ha­bi­li­ta­ción­ de­ in­te­rrup­ción­ se­ eje­cu­ta­ lue­go­ en re­gis­tros­de­con­trol­se­pa­ra­dos.­Si­se­po­ne­en­0, no­se­ha­bi­li­ta­nin­gu­na­in­te­rrup­ción,­in­de­pen­dien­te­men­te­de­có­mo­es­tén­las­po­si­cio­nes­in­di­vi­dua­les­de­ha­bi­li­ta­ción­de­in­te­rrup­ción.­El­bit­I­se­po­ne­ en­ 0­ me­dian­te­ hard­wa­re­ des­pués­ que­ ha­ya ocu­rri­do­una­in­te­rrup­ción,­y­se­po­ne­en­1­me­dian­te­la­ins­truc­ción­RE­TI­pa­ra­per­mi­tir­in­te­rrup­cio­nes sub­si­guien­tes.­El­bit­I­tam­bién­se­pue­de­po­ner­en 1­y­en­0­me­dian­te­las­ins­truc­cio­nes­SEI­y­CLI. Bit 6 -T: Almacenamiento de Copia de Bit. Las­ ins­truc­cio­nes­ de­ co­pia­ de­ bit­ BLD­ (Bit LoaD)­y­BST­(Bit­Sto­re)­usan­el­bit­T­co­mo­fuen­te­o­des­ti­no­del­bit­ope­ra­do.­Un­bit­de­un­re­gis­tro del­ Ar­chi­vo­ de­ Re­gis­tros­ se­ pue­de­ co­piar­ en­ T me­dian­te­la­ins­truc­ción­BST,­y­un­bit­en­T­se­pue­de­co­piar­en­un­bit­­de­un­re­gis­tro­del­Ar­chi­vo­de Re­gis­tros­me­dian­te­la­ins­truc­ción­BLD. Bit 5 - H: Bandera de Semi-acarreo. Es­te­ bit­ H­ in­di­ca­ un­ se­miaca­rreo­ en­ al­gu­nas­ ope­ra­cio­nes­ arit­mé­ti­cas.­ El­ se­mi-aca­rreo­ es­ útil­ en­ la­ arit­mé­ti­ca BCD.

Bit 0 - C: Bandera de Acarreo. Es­te­ bit­ in­di­ca­ un­ aca­rreo­ en­ una­ ope­ra­ción arit­mé­ti­ca­o­ló­gi­ca.

regIstros De ProPósIto general El­ Ar­chi­vo­ de­ Re­gis­tros­ se­ op­ti­mi­za­ pa­ra­ el con­jun­to­ de­ ins­truc­cio­nes­ RISC­ me­jo­ra­do­ del AVR.­A­fin­de­lo­grar­el­de­sem­pe­ño­y­la­fle­xi­bi­li­dad re­que­ri­das,­el­Ar­chi­vo­de­Re­gis­tros­so­por­ta­los­si­guien­tes­es­que­mas­de­E/S: • Un operando de salida de 8 bits y una entrada de resultados de 8 bits. • Dos operandos de salida de 8 bits y una entrada de resultados de 8 bits. • Dos operandos de salida de 8 bits y una entrada de resultados de 16 bits. • Un operando de salida de 16 bits y una entrada de resultados de 16 bits. La­fi­gu­ra­7­mues­tra­la­es­truc­tu­ra­de­los­32­re­gis­tros­ de­ tra­ba­jo­ de­ pro­pó­si­to­ ge­ne­ral­ de­ la CPU. La­ ma­yo­ría­ de­ las­ ins­truc­cio­nes­ que­ ope­ran en­el­Ar­chi­vo­de­Re­gis­tros­tie­nen­ac­ce­so­di­rec­to

Bit 4 - S: Bit de Signo. El­ bit­ S­ siem­pre­ es­ una­ O ex­clu­si­va­en­tre­la­Ban­de­ra­Ne­ga­ti­va­ N­ y­ la­ Ban­de­ra­ de­ Re­bal­se­V­con­com­ple­men­to­a­2­. Bit 3 - V: Bandera de Rebalse con complemento a 2. Es­te­bit­so­por­ta­una­arit­mé­ti­ca­de­com­ple­men­to­a­2. Bit 2 - N: Bandera Negativa. Es­te­bit­in­di­ca­un­re­sul­ta­do ne­ga­ti­vo­en­una­ope­ra­ción­arit­mé­ti­ca­o­ló­gi­ca. Bit 1 - Z: Bandera Nula. Es­te­bit­in­di­ca­un­re­sul­ta­do nu­lo­en­una­ope­ra­ción­arit­mé­ti­ca­o­ló­gi­ca.

46

Microcontroladores

Figura 7 - Los registros de trabajo del micro.

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­47

G enerAlidAdes

y

c ArAcTerísTicAs

de los

M icroconTrolAdores A TMel

Figura 8 - Registros de propósito general X, Y y Z. a­ to­dos­ los­ re­gis­tros,­ y­ la­ ma­yo­ría­ de­ ellas­ son ins­truc­cio­nes­de­un­so­lo­ci­clo. Co­mo­se­ve­en­la­fi­gu­ra­7,­a­ca­da­re­gis­tro­se le­asig­na­una­di­rec­ción­de­me­mo­ria­de­Da­tos,­las cua­les­se­ma­pean­di­rec­ta­men­te­en­las­pri­me­ras 32­po­si­cio­nes­del­Es­pa­cio­de­Da­tos­del­usua­rio. Aun­que­no­se­im­ple­men­tan­fí­si­ca­men­te­co­mo­po­si­cio­nes­ de­ me­mo­ria­ de­ SRAM,­ es­ta­ or­ga­ni­za­ción­ de­ me­mo­ria­ pro­por­cio­na­ una­ gran­ fle­xi­bi­li­dad­en­el­ac­ce­so­de­los­re­gis­tros,­ya­que­los­re­gis­tros­ apun­ta­do­res­ X,­ Y­ y­ Z­ pue­den­ apun­tar­ a cual­quier­re­gis­tro­del­ar­chi­vo.

los regIstros X, y y z Los­re­gis­tros­R26..R31­tie­nen­al­gu­nas­fun­cio­nes­ adi­cio­na­les­ a­ su­ uso­ de­ pro­pó­si­to­ ge­ne­ral. Es­tos­son­pun­te­ros­de­di­rec­cio­nes­de­16­bits­pa­ra­ el­ di­rec­cio­na­mien­to­ in­di­rec­to­ del­ es­pa­cio­ de da­tos.­Los­3­re­gis­tros­X,­Y­y­Z­de­di­rec­cio­na­mien­to­in­di­rec­to­se­de­fi­nen­co­mo­se­des­cri­be­en­la­fi­gu­ra­8.­En­los­dis­tin­tos­mo­dos­de­di­rec­cio­na­mien­to­es­tos­re­gis­tros­de­di­rec­cio­nes­tie­nen­fun­cio­nes ta­les­co­mo­des­pla­za­mien­to­fi­jo,­in­cre­men­to­au­to­má­ti­co­y­de­cre­men­to­au­to­má­ti­co.

Puntero De PIla La­ Pila­ se­ usa­ principalmente­ para­ guardar datos­ temporarios,­ guardar­ variables­ locales­ y guardar­ direcciones­ de­ regreso­ después­ de­ las interrupciones­y­de­las­llamadas­a­subrutinas.­El Registro­ del­ Puntero­ de­ Pila­ siempre­ apunta­ al tope­de­la­Pila.­La­Pila­se­implementa­creciendo de­posiciones­de­memoria­más­altas­a­más­bajas. Esto­implica­que­el­comando­PUSH­disminuye­el Puntero­de­Pila.­ El­Puntero­de­Pila­apunta­al­área­de­Pila­de­la SRAM­ de­ datos­ donde­ están­ ubicadas­ las­ pilas de­Subrutina­e­Interrupción.­Este­espacio­de­Pila en­la­SRAM­de­datos­debe­ser­definido­por­el­programa­antes­de­que­se­ejecute­cualquier­llamada a­subrutina­o­se­habilite­cualquier­interrupción.­El Puntero­ de­ Pila­ debe­ ponerse­ en­ un­ punto­ por encima­de­0x60;­se­decrementa­en­1­cuando­se pone­un­dato­en­la­Pila­con­la­instrucción­PUSH, y­ se­ decrementa­ en­ 2­ cuando­ se­ pone­ la­ dirección­de­regreso­en­la­Pila­con­llamada­a­subrutina­o­interrupción.­Se­incrementa­en­1­cuando­se extrae­un­dato­de­la­Pila­con­la­instrucción­POP, y­se­incrementa­en­2­cuando­se­extrae­un­dato­de la­Pila­con­regreso­de­subrutina­RET­o­regreso­de

Figura 9 - Registro puntero de pila de un ATMEL.

Microcontroladores

47

­Manual­-­Atmel:*Cap­4­-­­telefonia­­23/02/14­­13:19­­Page­48

M AnuAles T écnicos : interrupción­RETI.­­El­Puntero­de­Pila­del­AVR­se implementa­como­2­registros­de­8­bits­en­el­espacio­de­E/S.­El­número­de­bits­que­se­usan­en­la realidad­depende­de­la­implementación.­Notemos que­el­espacio­de­datos­en­algunas­implementaciones­de­la­arquitectura­del­AVR­es­tan­pequeño que­ sólo­ se­ necesita­ SPL.­ En­ este­ caso,­ el Registro­ SPH­ no­ estará­ presente.­ La­ figura­ 9 muestra­cómo­está­conformado­el­registro­“puntero­de­pila”

concepto­de­Archivo­de­Registros­de­acceso­rápido.­ Este­ es­ el­ concepto­ básico­ de­ arquitectura “pipeline”­ para­ obtener­ hasta­ 1­ MIPS­ por­ MHz con­ los­ correspondientes­ resultados­ únicos­ de funciones­por­costo,­funciones­por­relojes,­y­funciones­ por­ unidad­ de­ potencia.­ ­ La­ figura­ 11 muestra­el­concepto­de­temporización­interna­del Archivo­de­Registros.­En­un­solo­ciclo­de­reloj­se ejecuta­ una­ operación­ de­ la­ ALU­ que­ usa­ 2 operandos­de­registros,­y­el­resultado­se­almacena­de­vuelta­en­el­registro­de­destino.­

De­esta­manera­concluímos­con­este­manual, en­el­que­detallamos­las­principales­característiEsta­ sección­ describe­ los­ conceptos­ gen- cas­ de­ los­ microcontroladores­ AVR­ de­ ATMEL, erales­de­tiempo­de­acceso­para­la­ejecución­de describiendo­ la­ función­ de­ sus­ bloques­ princilas­instrucciones.­La­CPU­del­AVR­está­activada pales.­Aclaramos­que­hace­unos­años,­en­Saber mediante­ el­ reloj­ clock­ generado­ directamente Electrónica­ (desde­ el­ número­ 244­ hasta­ el­ 262) desde­ la­ fuente­ de­ reloj­ seleccionada­ para­ el publicamos­un­pequeño­curso­sobre­estos­microchip.­No­se­usa­ninguna­división­interna­del­reloj.­ controladores­y­que­Ud.­puede­descargar­desde La­figura­10­muestra­la­búsqueda­de­instruc- nuestra­ web:­ www.webelectronica.com.ar, ciones­y­la­ejecución­de­las­mismas­en­paralelo haciendo­clic­en­el­ícono­password­e­ingresando permitidas­ por­ la­ arquitectura­ de­ Harvard­ y­ el la­clave:­CursoatMel.­J tIeMPo De ejeCuCIón De las InstruCCIones

Figura 10 - Búsqueda y ejecución de instrucciones en paralelo

Figura 11 - Temporización interna del archivo de registros.

48

Microcontroladores

Mont - Vu como medidor.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:24 Page 49

M o n ta j e normalmente asociamos al vúmetro como un instrumento decorativo que da una indicación de la potencia que está generando un amplificador; sin embargo el uso de este aparato puede extenderse a un sin fin de aplicaciones, en las que se requiere tener una medida de la potencia puesta en juego en un circuito. en este artículo proponemos el armado de algunos circuitos sencillos, tanto con compuertas digitales como con circuitos integrados de usos específicos. Por: Luis Horacio rodríguez - e-mail: [email protected]

Vúmetros

Instrumentos medIdores de PotencIa IntroduccIón El vúmetro fue desarrollado originalmente en 1939 por Bell Labs para 
la medición y la normalización de los niveles en las líneas telefónicas.
Actualmente suelen incluirse en equipos de audio para mostrar un 
nivel de señal en unidades de volumen. Básicamente un vúmetro es un medidor de volumen. Hoy en día, existen vúmetros construidos de muchas formas diferentes, podemos encontrarlos analógicos, otros a base de LEDs normalmente verdes, amarillos y rojos e, incluso, representando las unidades de volumen en forma de barra en una pantalla LCD.

Vúmetro cmoS Los VU de LED se pueden elaborar siguiendo diferentes técnicas. Por ejemplo, el uso de transistores individuales para la excitación de los LEDs puede aumentar bastante la complejidad del montaje y su

tamaño y por ello se suele preferir el empleo de circuitos integrados. Por medio de un circuito integrado CMOS, proponemos el armado de un sensible VUmetro del tipo “barra móvil” para 4 LEDs, fácilmente expansible a 8. Con el proyecto indicado tendremos una escala de LED que se puede acoplar prácticamente a cualquier aparato de sonido, tiene pocos componentes, un costo bastante accesible y puede ser armado hasta por principiantes. Se trata de un proyecto muy interesante y de excelente desempeño que utiliza un integrado digital común de costo bastante bajo (mucho menos que los dedicados especiales para “bargraph” o barras de LEDs) y que exige mucho menos componentes externos que una versión transistorizada. El proyecto básico se hace para la excitación de 4 LEDs a partir de un canal de cualquier sistema de audio, exigiendo alrededor de 200mW para su excitación, pero su ampliación a 8 LEDs es simple y se pueden aplicar potencias mayores, hasta más de 100 watt al circuito con la simple utilización de un resistor (Rx) de valor apropiado.

Proyectos Electrónicos

49

Mont - Vu como medidor.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:24 Page 50

Montajes Figura 1

La alimentación del circuito, se hace con una tensión de 9V a 12V lo que significa que tanto podemos usarlo con una fuente en un equipo de audio doméstico como en el automóvil, alimentado por su batería. El circuito integrado CD4093 consiste en 4 puertas disparadoras Schmitt (NAND Schmitt Triggers) “NO-Y” que se caracterizan por una histéresis bastante acentuada. Si conectamos una de las entradas de cada compuerta de este integrado al polo positivo de la alimentación, o sea, al nivel lógico 1 (alto), las transformaremos en compuertas inversoras. Esto significa que, cuando la tensión en la entrada de cada una de las puertas alcanza un valor determinado (Vp), la salida conmuta rápidamente pasando del nivel alto al nivel bajo. En las entradas de las compuertas conectamos un divisor de tensión al que aplicamos la señal de audio después de rectificada y filtrada. Para obtener la tensión necesaria para la conmutación de cada puerta, podemos elevar la impedancia de la señal a través de un pequeño transformador de salida que también sirve para aislar el circuito de la fuente de señal de audio (en el circuito de la figura 1 no está contemplado dicho transformador y se trata de cualquier transformador de salida de audio, incluso los empleados en las viejas

50

Proyectos Electrónicos

radios transistorizadas). De esta forma, el nivel en que cada una de las puertas conectadas como inversores dispara, pasando del nivel alto hacia el bajo y

Figura 2

Mont - Vu como medidor.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:24 Page 51

Instrumentos Medidores de Potencia LIStA de mAterIALeS CI-1 - 4093 - circuito integrado CMOS D1 - 1N4148 - diodo de uso general de silicio LED 1 a LED 4 - leds comunes - ver texto VR1 - 10kΩ - potenciómetro VR2 - 470k - trimpot C1 - 220nF a 1µF - capacitor de poliéster o cerámica - ver texto C2 - 100µF x 16V - capacitor electrolítico R1 - 10k R2 - 47k R3 - 33k R4 - 22k R5 a R8 - 1k VArIoS: Placa de circuito impreso, caja para montaje, zócalo para integrado, cables, estaño, etc.

puede hacerse según la disposición mostrada en la figura 2. El conjunto podrá ser instalado en una caja de plástico. Los resistores son todos de 1/8 ó 1/4W con 10% ó 20% de tolerancia y los LEDs son rojos comunes, pero nada impide usar otros colores. El capacitor C1 puede ser de poliéster o cerámico y C2 es un electrolítico para 16V o más. Para el integrado sugerimos la utilización de un zócalo DIL de 14 pines, lo que evitaría problemas en el momento de soldar por exceso de calor y facilitaría una eventual sustitución. El diodo D1 es de silicio de uso general, admitiendo equivalentes. VR1 es un potenciómetro común que puede incluir la llave conecta/desconecta (S1) y VR2 es un trimpot. Para usar en el automóvil será interesante incluir un fusible de 500mA en serie con la alimentación. J

Vúmetro de 12 LedS encendiendo el LED correspondiente conectado en la salida, es diferente. El primer LED que enciende es el LED 1, pasando después al 2, 3, y finalmente al 4 cuando el pico de audio alcanza su máxima intensidad. La finalidad del trimpot VR2 es permitir un ajuste del encendido del último LED con la máxima intensidad de la señal con que trabajamos. El potenciómetro VR1 regula la sensibilidad del aparato en función del volumen del aparato de sonido. El capacitor C1 en la entrada, que filtra la señal rectificada de audio, tiene por función hacer que el circuito responda más a las frecuencias bajas con una cierta inercia, debiendo su valor ser elegido a criterio de cada montador. En la figura 1 tenemos el diagrama del circuito completo en la versión de 4 LEDs. El montaje en una placa de circuito impreso

El circuito de la figura 3 es ideal para conectarlo a la salida del preamplificador de una unidad de potencia, este circuito permite mirar la "sonoridad" del audio reflejada en 12 LEDs que pueden ser o no de diferentes colores. El circuito funciona en torno a un UAA180, que es un integrado diseñado para estas aplicaciones. Se alimenta con 12V que pueden ser obtenidos de la batería del auto. El potenciómetro ajusta la sensibili-

Figura 3

Proyectos Electrónicos

51

Mont - Vu como medidor.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:24 Page 52

Montajes dad. La entrada se conecta al parlante actual del estéreo. Abajo se observa la placa de circuito impreso del lado de las pistas. Este esquema está encabezado por el circuito integrado SIEMENS UAA180 cuyas aplicaciones son del tipo vúmetro, sensor de nivel, tacómetro, medidor de intensidad de campo, etc.
Este integrado posee una serie de comparadores internos, que proporcionan 12 salidas individuales y escalonadas para la excitación de LEDs, de acuerdo al nivel de señal de entrada. Como vemos en el esquema, los LEDs están divididos en 3 cuartetos, primer cuarteto conectado desde el pin 18 al 12, el segundo conectado desde el pin 11 al 8, y el tercero conectado desde el pin 7 al 4. Por tanto, los LEDs van conectados desde el pin 18 al 4, esto quiere decir que la diferencia de voltaje (ΔV) entre los pines 18 y 4 es lo que corresponde a la gama de valores de medida, de volumen en nuestro caso. Cuando ΔV18-4 es mayor o igual que 1V, la banda de la luz se desliza suavemente a lo largo de la escala, es decir, encendiendo los LEDs gradualmente en sentido 18-4.
Con el aumento de tensión de la ΔV18-4, el deslizamiento se vuelve más rápido e intenso.
En el momento en que la ΔV18-4 es aproximadamente 4V, se producen los saltos bruscos de luz de un diodo LED a otro. Para nuestra suerte y simplicidad del circuito, el propio circuito integrado UAA180, tiene las salidas internamente limitadas en corriente, lo que nos permite evitar el uso de una resistencia limitadora de corriente por cada LED. El condensador a la entrada de audio, simplemente realiza una función de desacoplo de la señal de audio para mejor interpretación del circuito integrado. El potenciómetro, se encarga de ajustar la sensibilidad de los LEDs, esto significa que para un correcto funcionamiento del vúmetro, deberá estar ajustado de forma que estén todos los LEDs iluminados en el momento en que el circuito integrado recibe los semiciclos con más amplitud de la señal de audio. El consumo del circuito en funcionamiento, con LEDs de 10mm, es muy bajo, del orden de 100mA. Este vúmetro es monofónico y debemos

52

Proyectos Electrónicos

Figura 4

conectarlo a una salida de audio de un canal para su correcto funcionamiento. Si lo conectamos a una salida de audio estéreo, funcionará, pero se solaparán las señales de audio de los dos canales y el vúmetro funcionaría de acuerdo a la suma de las señales de audio, produciendo que no se distingan bien en la señalización visual de los LEDs, los bajos, agudos y medios. Si quisiéramos conectarlo a una salida estéreo y que funcionara perfectamente, tendríamos que realizar este circuito por duplicado, y conectar cada uno de los circuitos a un canal. 
Los equipos de audio básicos (2 altavoces + subwoofer) son los ideales para conectar un vúmetro estéreo, ya que conectaríamos cada uno de los circuitos a cada una de las salidas de los parlantes o altavoces. Otra opción interesante es en lugar de poner una señal de audio directa a la entrada, poner un micrófono. Esto requiere de un pequeño circuito extra para la alimentación del micrófono y la amplificación de la señal de audio captada por este. Para medir la potencia de sonido de un orador, ase puede conectar la salida de un micrófono al vúmetro por medio de un preamplificador. El circuito que he utilizado para la pre-amplificación de un micrófono electret se muestra en la figura 4. El circuito original, utilizaba un transistor NPN 2N3904, pero la amplificación era muy pobre, lo cambié por un transistor con mucha más ganancia en corriente, como el BC517 y la mejoría fue instantánea. El regulador de tensión es para alimentación del circuito y el micrófono, que puede ser alimentado con voltajes desde 3-9 volt. J

Mont-Sonoridad.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:26 Page 53

M o n ta j e El oído humano no escucha todos los sonidos al mismo “volumen”, teniendo cierta tendencia a “bajarlo”, o a captar con menos volumen aquellos sonidos que son de baja frecuencia, o sea, sonidos graves (bombo, bajo, etc.) y también a ciertas frecuencias altas (pero no tanto como las bajas). La mayoría de los equipos de audio modulares modernos no incluyen control de audibilidad o “loudness”. Estos controles son importantes, pues aumentan la ganancia de los amplificadores en los extremos de la banda audible, mejorando así la calidad de sonido principalmente en la reproducción de música orquestada. Aún aquellos que poseen control de tonos o ecualizadores suelen producir “sonidos metálicos”. El proyecto que describimos se puede colocar a la entrada de la señal y “suaviza” la respuesta, produciendo sonidos agradables. Por: Luis Horacio rodríguez - e-mail: [email protected]

Controles de sonoridad IntroduccIón En la reproducción, la mayoría de los amplificadores tienden simplemente a compensar la manera cómo las frecuencias son reforzadas o atenuadas, llevando una grabación o programa de radio a adquirir la forma original que no siempre es la más agradable. La música orquestada, por ejemplo, pierde mucho de las notas más bajas y de las más altas si se hace solamente una compensación natural, o ecualización que la lleve a la forma natural. Si reforzamos un poco más que lo normal los extremos de la banda de frecuencias audibles, la música se vuelve más agradable pues los instrumentos de notas bajas y altas pasan a “aparecer”. Es el caso del violín, del triángulo y de los platillos en el extremo superior de la banda, y del trombón, bombo y tuba en el extremo superior de la banda, como muestra la figura 1.

La diferencia de “volúmenes” que escuchamos en sonidos de diferente frecuencia se vuelve cada vez mas pequeña mientras más alto escuchemos la música en nuestro sistema de audio. Lo que hace este “botoncito” de loudness, que antes traían todos Figura 1

Proyectos Electrónicos

53

Mont-Sonoridad.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:26 Page 54

Montajes Figura 2

los equipos de música y que ahora se asombra si lo ve en un equipo nuevo, es subir un poco el volumen para esas frecuencias que el oído tiende a bajar. No se deja siempre accionado porque, como dijimos, a volúmenes altos este efecto (para nuestros oídos) tiende a disminuir, lo q significa que siempre que escuchemos música a bajo volumen el control de loudness debe estar accionado, lo cual nos va a garantizar una verdadera sensación de sonido real y placentero y vamos a escuchar lo que realmente el artista y productores dejaron plasmado en esa pista de música. A volúmenes altos de reproducción no hace falta este circuito, ya que habría una exageración de amplificación de sonidos de esas frecuencias bajas. En verdad la sonoridad (que seria que tan alto lo percibimos) depende también de otros factores, como la duración, el timbre, el comportamiento en el tiempo, etc.

controL dE SonorIdAd con cIrcuIto IntEgrAdo El circuito presentado puede ser intercalado entre el preamplificador con señal de 200 a 500mV de salida y la entrada del amplificador, proporcionando un refuerzo de hasta 18dB en el extremo inferior de la banda y hasta 8dB en el extremo superior, manteniendo normal la reproducción entre los 200 y los 5000Hz que corresponden a los medios. Usando solamente un transistor, esta etapa tiene un consumo muy bajo y puede aprovechar la propia fuente del amplificador, siempre que la misma posea una tensión entre 18 y 22V. La placa para este control puede separarse o incluirse en el diseño del pro-

54

Proyectos Electrónicos

pio amplificador. Las características son las siguientes: Tensión de alimentación ±15V Refuerzo graves: 15dB en 80Hz (máx) Refuerzo agudos: 8dB en 15kHz (máx) Corriente de alimentación: 2mA (tip) Impedancia de entrada: 22kΩ Nivel de señal de entrada: 200 a 500mV El prototipo se trata de un control formado por una red dependiente de la frecuencia, colocada en paralelo con el control de volumen, que da más atenuación en frecuencias medias que en bajas y altas. En el diagrama de la figura 2 vemos un sistema activo de la red mencionada dependiente de la frecuencia. Está formado por un buffer de entrada conformado por un amplificador operacional (IC1a) y un amplificador sumador (IC1b), al que llegan dos señales. Una de las señales que llega al sumador lo hace por el canal compuesto por el control de volumen P1 y R6, elementos que poseen una red “shunt” correctora de frecuencia formada por C1-C2 y R2-R5. La red amplifica las señales de bajas frecuencias de hasta 20Hz, en un valor máximo de 24dB mientras que las señales de alta frecuencia de hasta 20kHz son amplificadas con un máximo de 8dB. La relación R3/R4 determina la máxima amplificación de las señales de tono grave, y el valor de C2 da la frecuencia de corte. La resistencia R2 tiene la función de asegurar que no se lleve a cabo ninguna amplificación a frecuencias por encima de 20kHz. Como consecuencia de la red correctora no se puede reducir el volumen completamente, ocasionará

Mont-Sonoridad.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:26 Page 55

Controles de Sonoridad LIStA dE MAtErIALES

Figura 3

CI1, CI2 - TL081 ó LF356 - Operacional en cápsula DIl de 8 patas, con entrada FET R1 - 56kΩ R2 - 1k8 R3 - 6k8 R4 - 180Ω R5 - 220kΩ R6 - 12kΩ R7 - 100Ω VR1 - Potenciómetro logarítmico (o lineal, según conveniencia del operador) de 10kΩ VR2 - Potenciómetro de 25kΩ C1 - 0,0033µF - Cerámico C2 - 2,2µF x 16V - Electrolítico C3 - 0,1µF - Cerámico C4 - 0,1µF - Cerámico C5 - 0,1µF – Cerámico VArIoS: Placa de circuito impreso, caja para montaje, zócalo para integrado, cables, estaño, etc. un problema en el circuito. Con el valor especificado para R5, la máxima atenuación es de 60dB. Si este valor no fuera suficiente, puede aumentarse el valor de R5, aunque la correción de frecuencia caerá con rapidez al aumentar el volumen. Este problema se puede solucionar con la inclusión de un segundo potenciómetro acoplado mecánicamente con P1, conectado a la salida del circuito. El circuito integrado con que hemos probado el dispositivo es el NE5532, dado que constituye un circuito de aplicación propuesto por el fabricante de este comFigura 4

ponente, sin embargo, hemos encontrado una mejor performance con el uso de dos amplificadores operacionales del tipo LF356, aunque para este caso, se debe modificar el circuito impreso mostrado en la figura 3. Se puede cambiar por cualquier tipo parecido sin inconvenientes. La alimentación del circuito se realiza con fuente partida de 15V (±15V), la cual debe estar bien regulada. El consumo es bajo, no superará los 10mA. Cabe aclarar que colocando en lugar de R2 un potenciómetro de 25kΩ, se puede conseguir un filtro que permite regular el tono del sonido corregido, a voluntad del operador. Con R7 puede regular la sensibilidad del circuito, pudiendo ajustarlo para obtener el volumen requerido.

Proyectos Electrónicos

55

Mont-Sonoridad.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:26 Page 56

Montajes controL A trAnSIStorES

no está disponible, se pueden usar otros de bajo ruido como LF071, NE5534, etc. J

Este control de sonoridad altera la curva de respuesta en frecuencia para que se corresponda aproximadamente con la característica de igual sonoridad del oído. El circuito que se muestra en la figura 3, es para un solo canal, por lo que para un equipo de música, debe armar dos de estas unidades. Este circuito tiene un impulso de 13dB a 20Hz y aproximadamente 9dB a 20kHz . Las características sobresalientes son las siguientes: Tensión de alimentación: 12V Corriente de consumo: 5mA Ganancia: 13dB @ 20Hz , 9 dB @ 20kHz Impedancia de entrada: 27kΩ @ 1kHz Figura 4

Este circuito utiliza una filtro RC para adaptar la respuesta en frecuencia, seguido por un amplificador operacional en modo no inversor para proporcionar la ganancia adecuada. En la figura 4 se muestra la respuesta en frecuencia. C1, es el condensador de entrada y bloquea cualquier DC de las fases anteriores. R1, C2, R4, C5 son la primera etapa de una red de conformación de frecuencia. Cada etapa se comporta como un atenuador dependiente de la frecuencia y es más fácil de entender con el diagrama de la figura 5. R2 y C1 forman una rama atenuadora “redibujada” como XL1. C4 y R5 forman la segunda rama, equivalente a XL2. Al otro lado del espectro de audio, la impedancia de XL1 y XL2 variará, ofreciendo diferentes cantidades de atenuación a diferentes frecuencias. La impedancia de C2 se elige para que opere en el rango de frecuencias de agudos, 20kHz, para que sea pequeña en comparación con R2. Para bajas frecuencias opera C5, a partir de 20Hz, de modo de presentar una alta impedancia. El resultado es una red de impedancias de constante cambio, debido a las variaciones de XL1 y XL2 con la frecuencia, tal como se muestra en a figura 6. En cascada se colocan dos etapas similares para producir un pico más pronunciado en los graves y agudos. Como las tres etapas son pasivas, es necesario el amplificador operacional para proporcionar la ganancia necesaria. La ganancia en el amplificador operacional está establecida por R9 y R10, C9 en paralelo con R9. La impedancia de entrada cambiará con la frecuencia, de acuerdo con la curva mostrada en la figura 7. El amplificador operacional es del tipo LT101. Si

56

Proyectos Electrónicos

Figura 5

Figura 6

Figura 7

Mont - Estatica.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:27 Page 57

M o n ta j e He aquí uno de esos instrumentos simples que uno no compraría pero que con gusto fabricará para tener en el laboratorio o en el maletín de servicio. Al elaborar este pequeño circuito electrónico obtenemos una práctica herramienta de laboratorio. El circuito indica a través de la intermitencia de los LEDs si en el lugar existen campos electroestáticos. La frecuencia con la que se encienden los LEDs indica proporcionalmente la magnitud de dicho campo. Selección: Luis Horacio Rodríguez - e-mail: [email protected]

Detector De

electriciDaD estática

L

a electricidad estática es uno de los factores de interferencias y fallas esporádicas por excelencia en la electrónica. Es producida por un sin número de causas que van desde transformadores de alta tensión mal aislados o cableados defectuosos hasta sistemas de encendido de automóvil en mal estado de manteniFigura 1 miento. Lamentablemente para el técnico (e incluso ahora para un mecánico de automotores) la electricidad estática es muy difícil de detectar como causa de problemas debido a que las fallas no solo son esporádicas sino que, además, son erráticas. Por ejemplo, un rotor de distribuidor desgastado permite que las chispas a las bujías lleguen bien, la mezcla sigue haciendo explosión con lo que uno no supone problemas de encendido, pero se genera mucha energía

que queda dispersa por el aire para, por ejemplo, afectar el correcto funcionamiento de la unidad de control electrónico (ECU) o, en menor peligrosidad, al estéreo del coche. Ni se imaginan los errores de medición que esto puede producir si se utiliza un tés-

Proyectos Electrónicos

57

Mont - Estatica.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:27 Page 58

Montajes ter del tipo digital. A mi me sucedió medir el sistema eléctrico del coche con el multímetro en escala 20V y ver que acusaba 18V, pero cuando pasaba a la escala de 200V la tensión subía a 48V. Obviamente que con un instrumento de aguja esto no sucedería, todos sabemos de la precariedad del integrado AD que se utiliza en los multímetros de bajo costo (ICL7106, ICL7107). El instrumento que hoy presentamos permite detectar la presencia de estática con solo acercar la antena del mismo a un sitio que nos presente duda. Gracias a las condiciones de amplificación extremadamente altas de un transistor de efecto de campo (FET) nuestro instrumento es muy sensible y, a su vez, estable. El integrado 555 hace un trabajo secundario, un efecto de cambio de luces en los LED's de salida. Ante la presencia de electricidad estática los LED's parpadearán a mayor velocidad. La antena no es mas que un trozo de alambre (aislado o desnudo, da igual).

S-METER: MEDIDOR DE SEñAL DE RF Algo que es realmente útil, pero que muy pocos equipos caseros lo incluyen es el medidor de señal SMETER. El mismo permite saber con precisión la magnitud de la señal que está ingresando a un receptor de radio o TV. Como puede observar en la figura 2, el circuito es extremadamente simple de armar, así como de entender. La señal ingresa por Figura 3 un capacitor de desacople, el cual debe tener un valor comprendido entre 10pF y 220pF teniendo en cuenta que mientras menor sea su valor menos

58

Proyectos Electrónicos

Figura 2

será cargado el circuito del receptor. Luego de ser preamplificada por el transistor de RF, la señal pasa a un segundo transistor el cual hace las veces de amplificador. La señal de salida, obtenida de su colector, es rectificada por medio de los diodos tipo schottky para luego ser aplicada al instrumento. Dicho instrumento puede ser cualquier multímetro en el rango de corriente DC, cuya escala se encuentre entre los 50 y los 100 µA. En todos los casos la señal debe tomarse después del filtro, ya sea de 10.7MHz o 455KHz. En el receptor SAT se tomará de la pata 5 del integrado MC3359 (IC4). La alimentación de este circuito es de 12V y casi no consume corriente, por lo que puede ser tomada del mismo receptor. Si no está seguro de donde tomar la alimentación busque un punto en la fuente del receptor donde haya, por lo menos, 15 volt y coloque un regulador de tensión de tres terminales del tipo 7812 como regulador positivo (recuerde emplear capacitores de filtrado tanto en la entrada como en la salida del 7812). En la figura 3 vemos otro circuito, cuyo esquema es muy simple pero muy efectivo que se alimenta con una tensión de 5V y suele emplearse en receptores comerciales. J

Ele Auto - Sensores Pos 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 23/02/14 13:31 Page 59

electrónica del automóvil Tal como comenzamos a ver en la edición anterior, los sensores de posición sirven para detectar recorridos y posiciones angulares. Son los sensores mas utilizados en los vehículos motorizados. Ya hemos analizado el funcionamiento y diagnóstico de algunos de estos sensores y en este artículo continuamos con el tema Coordinación: Ing. Horacio Daniel Vallejo - [email protected]

Más sensores de Posición Del SiStema electrónico De control Del motor SenSor De Flujo De MaSa De aIre Con alaMbre De PlatIno Los componentes primarios del sensor MAF son un termistor, un alambre caliente de platino, y un circuito de control electrónico, figura 14. El termistor mide la temperatura del aire entrante. El alambre caliente se mantiene a una temperatura constante en relación con el termistor por el circuito de control electrónico. Un aumento en el flujo de aire hará que el alambre se caliente para perder calor más rápido y la circuitería de control electrónico compensará

mediante el envío de más corriente a través del alambre. El circuito electrónico de control mide simultáneamente el flujo de corriente y pone a cabo una señal de tensión (VG) en proporción al flujo de corriente, figura 15. Este tipo de sensor MAF también tiene un sensor de temperatura de admisión de aire (IAT), como parte del conjunto de la caja (sensor completo, que puede conseguirse en diferentes formatos). Su funcionamiento se describe en la sección de IAT de sensores de temperatura. Al mirar el EWD, hay un espacio para el sensor de MAF y un campo (E2 ) para el sensor de IAT. El funcio-

Figura 14 - Sensor MAF con alambre de platino.

Electrónica del Automóvil

59

Ele Auto - Sensores Pos 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 23/02/14 13:31 Page 60

loS S enSoreS

Del

S iStema e lectrónico

De

c ontrol

Del

m otor

Figura 15 – Señales del sensor MAF.

Figura 16 Circuito del sensor de MAF. El relé EFI alimenta desde el voltaje de la batería al sensor de MAF. El MAF tiene una tierra sólo por la parte del sensor.

namiento puede verlo en la figura 16. Tenga en cuenta que el relé EFI alimenta desde el voltaje de la batería al sensor de MAF. El MAF tiene una tierra sólo por la parte del sensor.

DIagnóStICo De loS SenSoreS De MaSa De aIre El diagnóstico del sensor de MAF incluye chequeos visuales, prueba de circuitos y medición de componentes. El pasaje del sensor MAF debe estar libre de partículas y basura para funcionar correctamente. Si el paso está obstruido, generalmente el motor comenzará a girar pero lo hará en forma deficiente y hasta sin poder arrancar sin poder dar una indicación DTC (no va arrojar un código de error en el ECM). Comience verificando la tensión de alimentación, figura 17, luego compruebe el circuito de tierra (figura 18) y che-

60

Electrónica del Automóvil

Figura 17 – Verificación de la tensión de alimentación del MAF. El + B suministra una tensión para el Sensor MAF. VG es la línea de señal MAF y E2G es la tierra. Suministros terminales THA es la tensión de suministro de 5V para el IAT y E2 es el terminal de tierra.

Ele Auto - Sensores Pos 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 23/02/14 13:31 Page 61

S enSoreS

De

P oSición

Figura 18 - Circuito de tierra del MAF. La comprobación del circuito de tierra del MAF se realiza con un medidor de resistencia. Debe verificar que E2G tenga 0Ω respecto del chasis.

quee el correcto funcionamiento del sensor como se sugiere en la figura 19. El + B suministra una tensión para el Sensor MAF. VG es la línea de señal MAF y E2G es la tierra. Suministros terminales THA es la tensión de suministro de 5V para el IAT y E2 es el terminal de tierra. La comprobación del circuito de tierra del MAF se realiza con un medidor de resistencia. Debe verificar que E2G tenga 0Ω respecto del chasis. La mayoría de los sensores MAF se pueden comprobar mediante el suministro de energía y una señal de tierra colocados en los terminales adecuados. Debe colocar un voltímetro entre VG y tierra y ver cómo varía la tensión cuando se sopla (aire) sobre la entrada del sensor.

MeDIDor De Flujo De aIre De PaletaS El medidor de flujo de aire de paletas proporciona al ECM una medida exacta de la carga colocada en el motor. El ECM utiliza este dato

para calcular la duración de la inyección básica de combustible (mezcla) y el ángulo de avance para el encendido. Medidores de Flujo de Aire de paletas (figura 20) constan de los siguientes componentes: • Placa de medición. • Placa de compensación. • Retorno por muelle. • Potenciómetro. • Pasaje para derivación de aire. • Tornillo de ajuste de ralentí (ajustado en fábrica). • Interruptor de la bomba de combustible . • Sensor de temperatura del aire (IAT). En la figura 21 puede ver cómo funciona el medidor de paletas. La placa de medición se desvía en proporción al volumen de flujo de aire de admisión. La cámara de amortiguación ayuda a reducir el movimiento rápido de la placa de medición.

Figura 19 - Comprobación de MAF Operación. La mayoría de los sensores MAF se pueden comprobar mediante el suministro de energía y una señal de tierra colocados en los terminales adecuados. Debe colocar un voltímetro entre VG y tierra y ver cómo varía la tensión cuando se sopla (aire) sobre la entrada del sensor.

Electrónica del Automóvil

61

Ele Auto - Sensores Pos 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 23/02/14 13:31 Page 62

loS S enSoreS

Del

S iStema e lectrónico

De

c ontrol

Del

m otor

Figura 20 - Medidor de flujo de aire de paletas.

Durante el funcionamiento del motor, el flujo de aire de admisión reacciona contra la placa de medición (y muelle de retorno) y desvía la placa en proporción al volumen de flujo de aire que pasa a la placa. Una placa de compensación (que está unida a la placa de medición) se

Figura 21 – Operación del medidor de flujo de aire de paletas. El flujo de aire de admisión reacciona contra la placa de medición y desvía la placa en proporción al volumen de flujo de aire que pasa a la placa. Dentro de una cámara de amortiguación hay una placa de compensación, que está unida a la placa de medición y actúa como un "amortiguador " para evitar el movimiento rápido o la vibración de la placa de medición.

62

Electrónica del Automóvil

encuentra dentro de una cámara de amortiguación y actúa como un "amortiguador " para evitar el movimiento rápido o la vibración de la placa de medición. El movimiento de la placa de medición se transfiere a través de un eje a una corredera

Ele Auto - Sensores Pos 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 23/02/14 13:31 Page 63

S enSoreS

De

P oSición

Figura 22 – Circuito del Medidor de Flujo de Aire de Admisión. El potenciómetro dentro del medidor (conocido como VAF, por sus siglas en inglés: Vane Air Flow) proporciona una señal de voltaje variable al ECM.

Figura 23 – Señal de Tensión VAF . Hay dos diseños diferentes VAF. Con el tipo más nuevo (segundo diseño), la tensión disminuye a medida que la placa de medición se abre.

(brazo móvil) en el potenciómetro. El movimiento de la corredera en contra de la resistencia del potenciómetro provoca una señal de voltaje variable en el terminal VS en el ECM, figura 24. Debido a la relación de la placa de medición y el potenciómetro, los cambios en la señal VS serán proporcionales al volumen de admisión de aire. El potenciómetro dentro del medidor (conocido como VAF, por sus siglas en inglés: Vane Air Flow) proporciona una señal de voltaje variable al ECM.

La resistencia R2 (conectada en paralelo con R1) permite tomar una muestra para proporcionar una señal VS en el caso de que se produzca un corte en el potenciómetro principal (R1). El medidor de flujo de aire de paletas también tiene un interruptor para la bomba de combustible integrado, que se cierra para mantener el funcionamiento de la bomba de combustible una vez que el motor ha arrancado y el flujo de aire ha comenzado. El medidor también contiene un tornillo de

Electrónica del Automóvil

63

Ele Auto - Sensores Pos 2.qxd:*Cap 4 - telefonia 23/02/14 13:31 Page 64

loS S enSoreS

Del

S iStema e lectrónico

De

c ontrol

Del

m otor

Figura 24 - Karman Vortex Medidor de flujo de aire. Utiliza un espejo móvil y el fototransistor para medir el flujo de aire de admisión. Este tipo de metro opera sin restringir el flujo de aire.

ajuste de ralentí, ajustado de fábrica, que está cubierto por un tapón a prueba de manipulaciones. El manual de reparación no proporciona procedimientos acerca del restablecimiento de este tornillo en los casos en que ha sido manipulado.

tIPoS De MeDIDoreS VaF Hay dos tipos principales de medidores VAF. El primer diseño es el tipo más antiguo. Se utiliza voltaje de la batería para la tensión de alimentación. Con este tipo de VAF, cuando la placa de medición se abre, la señal de tensión aumenta,

64

Electrónica del Automóvil

tal como se desprende de la figura 23. Hay dos diseños diferentes de sensores de flujo de aire (VAF), y por eso se muestran dos gráficas. Con el tipo más nuevo (segundo diseño), la tensión disminuye a medida que la placa de medición se abre. Como puede apreciar, “hay mucho para hablar y discutir” sobre este tipo de sensores, es por eso que en el CD: “Los Sensores del Sistema Electrónico del Automóvil” que puede descargar desde nuestra web: www.webelectronica.com.ar, haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave: sensoauto. J

Ele Auto - Uso escaner.qxd:ArtTapa 17/01/14 10:04 Página 65

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 67

A r t í c u lo

de

t A pA

KIT ArduIno onBoArd ATmegA 328 ConsTruyendo un ArduIno soBre un ProToBoArd En los últimos años se han desarrollado innumerables aplicaciones en las que es necesario contar con los conocimientos básicos en el desarrollo y programación de microcontroladores. La mayoría de los sistemas programables actuales tienen por lo menos un microcontrolador encargado del control operativo del sistema. Existen en el mercado muchos fabricantes de microcontroladores, por mencionar algunos: MICROCHIP, ATMEGA, MOTOROLA entre otras. Estos fabricantes proveen del software especializado para la programación de sus microcontroladores y otorgan gran cantidad de información para el usuario. Actualmente, ARDUINO, una empresa italiana, ha desarrollado placas microcontroladas educativas con grandes prestaciones. Esta placa posee microcontroladores ATMEGA encargados del control de la placa. Hay disponibles gran cantidad de proyectos que se han desarrollado a través de esta noble interfaz. En el Artículo de tapa de esta edición le indicamos cómo armar una placa ARDUINO con circuito impreso, en este tutorial mostramos como puede hacer un montaje compatible con Arduino, sobre una placa entrenadora, con un microcontrolador ATmel Atmega8/168/328 de AVR y una placa adaptadora FTDI FT232.También puedes necesitar un Arduino Mini USB para cargar en el micro el archivo de bootloader para que el proyecto reconozca el IDE de Arduino.

Autor: Federico Prado - e-mail: [email protected]

IntroduccIón Hace unos meses, Editorial Quark desarrolló tres Paquetes Educativos sobre ARDUINO; en los que se incluyen kits y componentes para realizar sus propias prácticas. Si Ud. adquirió el Paquete Educativo: “Desarrollos con Arduino”, tenga en cuenta que no se proveen los componentes de la fuente de alimentación y tampoco la placa adaptadora para conexión a USB, es decir, podrá conectar la placa a un puerto COM de su computadora.

Proyectos Electrónicos

67

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 68

Artículo de tapa En lugar de los componentes de la fuente de alimentación puede usar una fuente externa de 5V regulada. Podrá conectar el KIT al puerto COM (RS232) de cualquier PC armando la interface apropiada, según el circuito que proponemos (no provisto en el KIT) y luego emplear un adaptador RS232 a USB genérico (que compra en cualquier negocio de computación) para que el KIT se pueda manejar desde el puerto USB de su computadora.

comPonEntEs Para hacer este montaje necesitará los componentes de la figura 1:

Figura 1

1 placa entrenadora (protoboard). Cables calibre 22 AWG (cables para usar en protoboard) 1 regulador de voltaje 7805. 2 LEDs 2 resistencias de 220 Ohm. 1 resistencia de 10k Ohm. 2 condensadores de 10µF x 16V 1 cristal de 16MHz. 2 condensadores cerámicos de 22pF. 1 pulsador pequeño normalmente abierto (NO). Componentes para el adaptador TTL a RS232. Adaptador de conversión USB a Serie. El circuito eléctrico del kit completo es el de la figura 9 del Artículo de Tapa de esta edición, pero como vamos a montarlo en un protoboard, la misma tarjeta servirá como conexión de los puertos, tensiones, reset, etc. En principio, nos queda por comenzar a montar el circuito de la figura 2.

68

Microcontroladores

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 69

KIt Arduino onBoard Atmega 328 Figura 2

Es decir, armaremos el circuito sobre un entrenador digital (protoboard) por lo que no será necesario colocar las barras de conexiones, el mismo entrenador servirá para ello. Nota 1: En lugar de la fuente de alimentación puede emplear una fuente externa de 5V Nota 2: En lugar de la placa adaptadora puede montar el circuito para puerto serial con 2 transistores PNP comunes (BC557 ó BC558) y algunos componentes externos, tal como mostraremos más adelante.

cArgAndo

El

gEstor

dE

ArrAnQuE

En El

cIrcuIto IntEgrAdo AtmEgA

IMPORTANTE: El chip Atmega 328 que se provee con el KIT del Paquete Educativo: “Desarrollo con Arduino” ya tiene el gestor de arranque grabado (bootloader) por lo cual NO TIENE QUE HACER ESTA OPERACIÓN. Sin embargo, si Ud. está leyendo esta edición y va a comprar el microcontrolador a un negocio de electrónica, tendrá que cargarle dicho gestor de arranque. Hay varias opciones para cargar el gestor de arranque en el chip ATmega, algunas de ellas las veremos en este tutorial. Si quiere cargar el gestor de arranque desde la placa entrenadora hay un accesorio que hará su vida mucho más fácil, “aunque no es imprescindible”.

ImPlEmEntAcIón

dEl

ArduIno mínImo

Vamos a comenzar con el armado de nuestro Arduino. Recuerda que en el kit no se proveen los componentes de la fuente de alimentación y que si no quiere no la arma, usa una fuente regulada de 5V y listo. Sin embargo, mi recomendación es que SI ARME LA FUENTE, ya que los componentes son comunes y seguramente los tiene entre sus componentes en el taller. El circuito que armaremos en el protoboard, entonces, es el de la figura 3.

Proyectos Electrónicos

69

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 70

Artículo de tapa Si ya ha trabajado con microcontroladores posiblemente tenga su forma preferida de cablear la alimentación de su placa, si es así adelante. En el caso de que necesite que le refresquen la memoria a continuación mostramos fotos de una de las formas de hacerlo (esta versión utiliza un regulador de voltaje 7805 de 5V).

Figura 3

La figura 4 muestra como conectar los cables de alimentación en la parte superior. Debe colocar cables positivos (rojo) y negativos (negro) donde deba ir emplazado el regulador de voltaje. 
Lo cables de alimentación en la parte inferior del protoboard se muestra en la figura 5. Coloque cables de alimentación también en la parte inferior de la placa entrenadora conectando cada rail. 
Luego coloque el regulador 7805 y los condensadores de desacoplo como se observa en la figura 6. El regulador tiene empaquetado TO-220, por lo que la entrada de corriente está a la izquierda, el negativo (masa, GND o referencia) en el medio y la salida regulada de 5V en la patita de la derecha (mirando al regulador de frente). Añada cables desde la salida y GND hasta los railes de la placa entrenadora.

Figura 4

Figura 5

Figura 6

Añada también un condensador de 10µF entre la entrada del regulador y el negativo, así como otro de 10µF en el rail de la derecha entre el positivo y el negativo. La cinta plateada en el condensador indica la patita negativa. Figura 7 Ahora debemos conectar un LED indicador de tensión de alimentación conectada, figura 7. Ponga un LED y una resistencia de 220 Ohm en el lado izquierdo de la placa, al otro lado del regulador de voltaje. Un LED conectado de esta manera es una gran ayuda a la hora de detectar problemas, siempre sabrá con rapidez cuando la placa recibe alimentación o si está en cortocircuito. Vea en la figura 8 dónde se conectan los cables de alimentación, son los cables rojo y negro a la

70

Microcontroladores

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 71

KIt Arduino onBoard Atmega 328 Figura 8

izquierda del regulador de voltaje. El cable rojo es para el positivo y el negro para el negativo. Asegúrese de que el voltaje aplicado esté entre 7V y 16V, con menos tensión el regulador no conseguirá entregar una tensión de 5V y con más tensión el regulador puede estropearse. Una batería de 9V o una fuente de alimentación de 12V son lo elementos más adecuados para alimentar a nuestro kit. De esta manera ya tenemos el circuito de alimentación montado sobre el protoboard, figura 9.

Figura 9

Ahora que la alimentación básica esta montada estamos preparados para colocar el circuito integrado. Vea en la figura 10 el diagrama de pines del ATmega. Es un gran recurso para comprender lo que cada uno de los pines del chip Atmega hace en relación con las funciones de la Arduino. Esto aclarará muchas confusiones acerca de por qué ciertos pines hacen lo que hacen. Figura 10

Coloque el circuito integrado de modo que la muesca que sirve para identificar a la patita 1 quede del lado del regulador, dejando 5 filas (rails) libre, tal como muestra la figura 11. Comenzaremos conectando una resistencia de pull-up de 10kΩ desde +5V hasta el pin de reset del integrado (pata 1) para impedir que el chip se resetee accidentalmente.

Proyectos Electrónicos

71

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 72

Artículo de tapa El RESET reinicia el chip cuando puesto a masa. Algunos pasos más adelante enseñaremos cómo añadir un pulsador de reset para aprovecharnos de esto. Las funciones de los pines que por el momento nos interesan son las siguientes: Pin 7 - Vcc - Alimentación de la tensión digital. Pin 8 - GND Pin 22 - GND Pin 21 - AREF - Referencia analógica para los pines ADC. Pin 20 - AVcc - Alimentación para el convertidor ADC. Necesita ser conectado a positivo si el ADC no va a se utilizado y alimentado por un filtro “paso bajo” en caso de ser utilizado (un filtro paso bajo es un circuito que reduce el ruido de la fuente de alimentación. En este ejemplo no se utiliza).

Figura 11

Llega el turno de montar el cristal de reloj entre los pines 9 y 10, además de 2 condensadores de 22pF, colocando a negativo uno de los terminales de cada uno de estos capacitores, figura 12. Coloque ahora un pequeño pulsador para que pueda resetear la Arduino cada vez que quiera preparar el chip para cargarle un nuevo sketch (archivo o programa), figura 13. Una corta pulsación sobre este interruptor reseteará el chip cuando lo necesite. Monte el pulsador a continuación de la parte superior del chip Atmega saltando la separación central de la placa entrenadora. Luego ponga un cable desde la patita superior izquierda hasta el pin RESET del chip ATmega y otro cable desde la patita inferior izquierda hasta el terminal o rail negativo del protoboard. Suponemos que Ud. usa el chip que se entrega con el Paquete Educativo de Saber Electrónica, que está actualmente programado con el programa (sketch) de ejemplo “blink_led” que viene con el IDE de Arduino. Si tiene una Arduino en circuito impreso, es una buena idea probar dicho integrado montándolo sobre la

72

Microcontroladores

Figura 12

Figura 13

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 73

KIt Arduino onBoard Atmega 328 placa entrenadora. Desmonte el chip de su otro Arduino y móntelo en esta placa. El sketch blink_led hace que el LED colocado en el pin 13 parpadee. El pin 13 de la Arduino no es el pin 13 del AVR ATMEGA816PU/ATMEGA168-16PU, actualmente es el pin 19 del chip ATmega (vea el mapa de pines más arriba para asegurarnos de conectarlo correctamente). Si Ud. compró un ATmega en un comercio, no se preocupe, siga los pasos de montaje y luego le enseñaremos a cargarle el bootloader ARDUINO. Primero conecte un cable desde la patita 13 del integrado a un lugar vacío del protoboard, como se muestra en la figura 14.

Figura 14

Figura 15 Finalmente conectamos el LED, tal como mostramos en la figura 15. La patita larga o cátodo va a un cable rojo y la patita corta o ánodo la conectamos a una resistencia de 220Ω que va negativo. Ya tiene su Arduino mínimo montado en el protoboard; sólo resta agregar que si Ud. no quiere montar la fuente de alimentación y desea colocar un fuente externa de 5V, tendrá que realizar los arreglos mostrados en la figura 16.

Figura 16

En este punto, si tenía programado su chip y no necesita cargar ningún otro “sketch” en esta placa entrenadora, puede detenerse aquí. Pero parte de la diversión es la programación en el circuito, así que vamos a hacer una Arduino sobre placa entrenadora completa.

Proyectos Electrónicos

73

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 74

Artículo de tapa PrEPArAcIón

dEl

KIt

PArA

conEctArlo A lA comPutAdorA

Nuestro Arduino mínimo se puede conectar tanto al puerto USB de una computadora como al puerto seral (puerto COM ó RS232), Ahora vamos a añadir la placa adaptadora de USB a Serie a nuestra Arduino sobre placa entrenadora. Si Ud. tiene el KIT Arduino OnBoard Atmega 328 que se incluye en el Paquete educativo producido por Saber Electrónica no se preocupe, ya que esta placa adaptadora no está incluida, pero le enseñaremos a armar un circuito sencillo para la conexión al puerto serial de su computadora. Hay muchos tipos de placas adaptadoras y Ud. debe fijarse cuál es la que consigue en su localidad. La figura 17 muestra la disposición de pines de la adaptadora FT232 de Sparkfun. Es curioso como está Figura 17 hecho el marcado de los pines de la Sparkfun FT232, simplemente dela la vuelta. En esta situación vamos a usar VCC (para suministrar 5V desde el puerto USB de nuestro ordenador a nuestra placa), GND; TXD, y RXD. Si no ha añadido los pines macho a su placa adaptadora tienes que hacerlo ahora. Conecta el pin VCCIO de la placa adaptadora a +5V y GND a masa, figura 18. Figura 18

Ahora llegó el momento de comunicar la placa adaptadora de USB a Serie con nuestra recién montada Arduino. Conectamos el RX (pin 2) de nuestro chip ATmega con el TX de la placa USB a Serie, y conectamos el TX (pin 3) de nuestro chip ATmega con el RX de la placa de USB a Serie, figura 19.

Figura 19

74

Microcontroladores

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 75

KIt Arduino onBoard Atmega 328 Y tiene su Arduino OnBoard Atmega 328 listo para ser enchufado, conectado y programado.

oPcIón PArA PuErto sErIAl Si Ud. compró el KIT Arduino OnBoard Atmega 328 y no tiene la placa adaptadora para USB, para conectar su kit a la PC por puerto serial deberá armar en el mismo protoboard el circuito mostrado en la figura 20. Figura 20

Como se trata de un adaptador TTL a RS232, es conveniente que lo monte sobre una placa de circuito impreso como la mostrada en la figura 21 y luego conectarla a la placa entrenadora, siguiendo las instrucciones de la figura 22. Figura 21

Proyectos Electrónicos

75

Mont Esp - Arduino mínimo.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:40 Page 76

Artículo de tapa Figura 22

Todos los componentes son comunes y X1 es un conector DB9 para conectarlo al puerto COM de su PC (puerto serial). Si Ud. no tiene ninguna experiencia en electrónica, puede solicitarle a algún técnico que se la arme, o envíenos un mail y le mandaremos un instructivo paso a paso de cómo montarla en el mismo protoboard. Ya tiene su ARDUINO montado y listo para usar, sólo resta saber cómo podemos cargarle al microcontrolador el bootloader para que pueda comunicarse con el IDE de Arduino (si es que Ud. no tiene el kit que viene con el Paquete Educativo de Saber Elecrónica), pero ese es tema de un próximo artículo. Si Ud. no desea esperar hasta la próxima edición, puede descargar el manual completo de este kit desde nuestra web: www.webelectronica.com.ar, haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave: arduino. J

76

Microcontroladores

Tecnología - Evolución Celulares.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:43 Page 77

T e c n o lo g í a

de

P u n Ta

Evolución dE la

TElEfonía cElular Los primeros sistemas de telefonía móvil civil empiezan a desarrollarse a partir de finales de los años 40 en los Estados Unidos. Eran sistemas de radio analógicos que utilizaban en el primer momento modulación en amplitud (AM) y posteriormente modulación en frecuencia (FM). Se popularizó el uso de sistemas de FM gracias a su superior calidad de audio y resistencia a las interferencias. El servicio se daba en las bandas de HF y VHF. Los primeros equipos eran enormes y pesados, por lo que estaban destinados casi exclusivamente a su uso a bordo de vehículos. Generalmente se instalaba el equipo de radio en el maletero y se pasaba un cable con el teléfono hasta el salpicadero del coche. Los primeros teléfonos celulares comerciales datan de la década del 80 y, desde entonces, la tecnología ha avanzado tanto que a la fecha se han fabricado más de 16 mil millones de celulares y hay más de 5 mil millones de líneas activas en todo el mundo. En esta nota damos una rápida recorrida a la forma en que fueron evolucionando los teléfonos celulares hasta llegar a los modernos smartphones con tecnología 4G.

Autor: Ing. Horacio Daniel Vallejo - e-mail: [email protected]

IntroduccIón El teléfono celular se remonta a los inicios de la Segunda Guerra Mundial, donde ya se veía que era necesaria la comunicación a distancia, es por eso que la compañía Motorola creó un equipo llamado Handie Talkie H12-16, que es un equipo que permite el contacto con las tropas vía ondas de radio que en ese tiempo no superaban más de 600kHz. En 1955, Leonid Ivanovich Kupriyanovich publicó en una revista científica para amantes de la radio, una descripción de su aparato walkie-talkie, capaz de hacer

conexiones de hasta 1,5 km de distancia. Pesaba cerca de 1,2 kilos y funcionaba con dos tubos de vacío. En 1957 presentó la misma versión de su walkie-talkie, pero esta vez con un alcance de 2 km de distancia y con un peso de 50 gramos. El inventor soviético patentó su teléfono móvil en 1957 (Certificado Nº115494, 1.11.1957). Fue sólo cuestión de tiempo para que las dos tecnologías de Tesla y Marconi se unieran y dieran a la luz la comunicación mediante radio-teléfonos: Martín Cooper, pionero y considerado como el padre de la telefonía celular, fabricó el primer radio teléfono entre 1970 y 1973, en Estados Unidos, y en 1979 aparecieron los

Teléfonos Celulares

77

Tecnología - Evolución Celulares.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:43 Page 78

Tecnología primeros sistemas a la venta en Tokio (Japón), fabricados por la Compañía NTT. Los países europeos no se quedaron atrás y en 1981 se introdujo en Escandinava un sistema similar a AMPS (Advanced Mobile Phone System). En 1985 se comenzaron a perfeccionar y amoldar las características de este nuevo sistema revolucionario ya que permitía comunicarse a distancia. Fue así que en los años 1980 se llegó a crear un equipo que ocupaba recursos similares a los Handie Talkie pero que iba destinado a personas que por lo general eran grandes empresarios y debían estar comunicados, es ahí donde se crea el teléfono móvil y marca un hito en la historia de los componentes inalámbricos ya que con este equipo podría hablar a cualquier hora y en cualquier lugar.

Figura 1 – El precursor: dynatAc 8000X

popularizó al DynaTac. Los primeros en utilizarlos fueron hombres de negocios, ejecutivos y personal de alto poder adquisitivo, en primer término porque el desarrollo socioeconómico de una empresa depende estar comunicado eficazmente, conectado con proveedores, clientes, empleados, gobiernos y organismos reguladores. Otra causa de este uso acotado se debía a los elevados costos que estos servicios implicaban por la falta de competencia entre las compañías de telefonía celular que obligan a bajar los precios y ha mejorar los problemas técnicos. Hacia 1984, la compañía logro vender 900.000 teléfonos, cantidad que se estaba pensado alcanzar recién en el año 2000.

EvolucIón y convErgEncIA tEcnológIcA

La evolución del teléfono móvil ha permitido disminuir su tamaño y peso, desde ese primer teléfono móvil en 1983 que pesaba 780 gramos, a los actuales más comEn la figura 1 se puede apreciar el que puede con- pactos y con mayores prestaciones de servicio. El desarsiderarse como el primer teléfono celular de la historia, el rollo de baterías más pequeñas y de mayor duración, abuelo de los que conocemos en la actualidad. Su nom- pantallas más nítidas y de colores, la incorporación de bre es Motorola DynaTAC 8000X y apareció por primera software más amigable, hacen del teléfono móvil un elevez en el año de 1983. Era algo pesado, unos 780 mento muy apreciado en la vida moderna. El avance de la tecnología ha hecho que estos gramos y medía 33 cm x 9cm x 4.5cm". Obviamente era analógico, y tenía un pequeño display de LEDs. La aparatos incorporen funciones que no hace mucho batería sólo daba para una hora de conversación u 8 parecían futuristas, como juegos, reproducción de horas en stand-by. La calidad de sonido era muy mala, música MP3 y otros formatos, correo electrónico, SMS, era pesado y poco estético, pero aún así, había personas agenda electrónica PDA, fotografía digital y video digital, video llamada, navegación que pagaban los más de 4.000 por Internet y hasta televisión digdólares que costaba, lo cual lo conital. Las compañías de telefonía virtió en un objeto de lujo y solo móvil han incluido nuevas aplicaasequible a determinadas esferas ciones para este pequeño sociales, aún a pesar de su diseño aparato que nos acompaña a y peso. todas partes. Algunas de esas tarSin embargo, ya en 1981 el fabeas son: medio de pago, localricante Ericsson lanzó el sistema izador e identificador de personas NMT 450 (Nordic Mobile Telephony y hasta localización a distancia. 450 MHz), figura 2. Este sistema Siempre hay que tener en cuenta seguía utilizando canales de radio los grandes avances sufridos analógicos (frecuencias en torno a desde el primer teléfono móvil 450 MHz) con modulación en frehasta el actual. La etapa de cuencia (FM). Era el primer sistema evolución de los teléfonos celudel mundo de telefonía móvil tal lares lo podemos dividir en distincomo se entiende hoy en día pero Figura 2: En 1981 Ericsson lanzó el tas generaciones. no contaba con la estructura que sistema nMt 450. El PrIMEr tEléFono cElulAr

78

Tecnología

Tecnología - Evolución Celulares.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:43 Page 79

evolución de la Telefonía celular Alcatel, Siemens A56 o Sony Ericsson T106, todos a precios muy económicos y rodeados de promociones. Sin embargo la necesidad de pertenencia, de alcanzar cierto status social no deja de estar presente, el celular además de su uso comunicativo no deja de tener un valor simbólico de pertenencia de clase, tanto en los jóvenes como en los altos ejecutivos que aun hoy siguen beneficiándose con sus servicios. Hay junto a estos aparatos "menores" una variedad infinita con cámara de foto digital, algunos hasta permiten minutos de filmación, Segunda Generación de los poseen pantalla a color, conexión a Teléfonos Celulares Figura 3 - nokia 1100 Internet rapidísima (tecnología EDGE), La segunda generación hace su aparición en la década de los 90, en su mayoría son de envió de mensajes multimedia (MMS) y acceso a casilla tecnología digital y tienen ciertos beneficios muy valo- de e-mail (POP3). En 2001 se lanza en Japón la denominada “tecrados como duración extendida de la batería, posibilidad de ser más seguros y una definición mayor en el sonido. nología 3G” de celulares, basada en los UMTS (servicios Estos teléfonos, y también algunos teléfonos analógicos, General de Telecomunicaciones Móviles). En este caso cuentan con la posibilidad se envió y recepción de men- se dio uno de los pasos finales en lo que es la telefonía sajes de texto (SMS) sin embargo, aun no es en estos móvil y la Informática. En su definición como nueva tecaños el "boom" de esta herramienta que en los últimos nología, debería estar activa recién en 2010 pero el años se ha masificado de modo increíble. A finales de la avance fue tan rápido que en 2005 ya se ofrecía en década se produce la fiebre por los teléfonos celulares, varias de las grandes ciudades. La novedad más significativa fue la posibilidad de la gente común se agrega a la lista de usuarios, favorecidos por el tipo de cambio y la competencia entre difer- intercambiar datos a gran velocidad, lo que significó el desembarco definitivo del protocolo IP en la telefonía entes compañías. Las tecnologías predominantes son: celular, que hasta el momento era privativo de Internet. Para el usuario, quizá el avance se debió a la incorpoGSM (Global System por Mobile Communications); ración de una segunda cámara para realizar video llaIS-136 (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI-136), madas, es decir hablar con una persona y verla al mismo CDMA (Code Division Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications), éste último uti- tiempo por medio del teléfono móvil. En la figura 5 podemos apreciar una gráfica que lizado en Japón. muestra los 15 celulares más vendidos de la historia; Tercera Generación de los Teléfonos Celulares encabezada por el Nokia 3100/3120 con más de 160 milSe caracteriza por juntar las teclones de unidades vendidas. nologías anteriores con las nuevas tecLa figura 6 muestra una gráfica con los 5 nologías incorporadas en los teléfonos operadores más grandes del planeta. celulares. Se inaugura la masificación de los teléfonos celulares. En estos años los teléfonos celulares se encuenlA tElEFoníA cElulAr con tEcnologíA 4g tran provistos de un chip, tarjeta SIM, donde se encuentra ingresada toda la En telecomunicaciones, 4G son las información. siglas utilizadas para referirse a la cuarta Una de las causas mas importantes generación de tecnologías de telefonía de la extensión en el consumo hasta llemóvil. Es la sucesora de las tecnologías gar a capaz humildes de la sociedades 2G y 3G, y que precede a la próxima la existencia en el mercado de teléfonos generación, la 5G. GSM de lo que se llama "bajo rango", Los operadores suelen ofrecer la mal llacomo los Nokia 1100 (figura 3), Sagem Figura 4 - Motorola c200 mada tecnología 4G, bajo plataforma XT, Motorota C200 (figura 4) o C 115, Primera Generación de los Teléfonos Celulares La primera generación comprende desde la aparición del primer teléfono celular en el mercado mundial conocido como "el ladrillo" (DynaTac 8000X) hasta finales de los 80. Estos eran caracterizados por ser de tecnología analógica para uso restringido de comunicaciones orales. La tecnología predominante en esta generación fue la AMPS (Advanced Mobile Phone System).

Teléfonos Celulares

79

Tecnología - Evolución Celulares.qxd:lx1435.qxd 23/02/14 13:43 Page 80

Tecnología LTE, pero aún están lejos estos requerimientos de la que, a la postre, será la Cuarta Generación de Telefonía Celular. Al igual que en otras generaciones la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) creó un comité para definir las generaciones. Este comité es el IMT-Advanced y en él se definen los requisitos necesarios para que un estándar sea considerado de la generación 4G. Entre los requisitos técnicos que se incluyen hay uno muy claro, las velocidades Figura 5 máximas de transmisión de datos que debe estar entre 100Mbit/s para una movilidad alta y 1Gbit/s para movilidad baja. De aquí se empezó a estudiar qué tecnologías eran las candidatas para llevar la etiqueta 4G. Hay que resaltar que los grupos de trabajo de la UIT no son puramente teóricos, sino la industria forma parte de ellos y estudian tecnologías reales existentes en dichos momentos. Por esto el estándar LTE de la norma 3GPP no es 4G porque no cumple los requisitos definidos por la IMT-Advanced en caracteristicas de velocidades pico de transmisión y eficiencia espectral. Aún así la ITU declaró en 2010 que los candidatos a 4G como era éste podían publicitarse como 4G. La 4G está basada completamente en el protocolo IP, siendo un sistema y una red, que se alcanza gracias a la convergencia entre las redes de cables e inalámbricas. Esta tecnología podrá ser usada por módems inalámbricos, móviles inteligentes y otros dispositivos móviles. La principal diferencia con las generaciones predecesoras será la capacidad para proveer velocidades de acceso mayores de 100 Mbit/s en movimiento y 1 Gbit/s en reposo, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta de alta seguridad que permitirá ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar, con el mínimo costo posible. El WWRF (Wireless World Research Forum) pretende que 4G sea una fusión de tecnologías y protocolos, no sólo un único estándar, similar a 3G, que actualmente

80

Tecnología

Figura 6

incluye tecnologías como lo son GSM y CDMA. La empresa NTT DoCoMo en Japón, fue la primera en realizar experimentos con las tecnologías de cuarta generación, alcanzando 100 Mbit/s en un vehículo a 200 km/h. La firma lanzó los primeros servicios 4G basados en tecnología LTE en diciembre de 2010 en Tokyo, Nagoya y Osaka.

conclusIón Hace algo más de una década los teléfonos celulares se caracterizaban sólo por llamar, pero ha sido tanta la evolución que ya podemos hablar de equipos multimedia que puede llamar y ejecutar aplicaciones, jugar juegos 3D, ver vídeos, ver televisión y muchas cosas más. Debemos tener conciencia y prepararnos para lo que se viene más adelante y pensar que el teléfono celular ya no es tan sólo para hablar. J

3ª de forros.qxd:sumario 223 21/11/13 18:12 Página 3ªFo1

Retiracion de Contratapa.qxd:club 07/22/2013 13:47 Página 2ªFo1