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Microcontroladores. UNIDAD 1

Luis Ángel Ramírez Nava INGENIERÍA MECATRÓNICA |

Contenido INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................................. 2 DEFINICIÓN DE MICROCONTROLADOR............................................................................................... 3 DIFERENCIA ENTRE MICROCONTROLADOR, MICROPROCESADOR Y COMPUTADORA. ..................... 4 CLASIFICACIÓN DE LOS MICROCONTROLADORES. ............................................................................. 5 APLICACIONES DEL MICROCONTROLADOR......................................................................................... 7 REFERENCIAS. ...................................................................................................................................... 8

INTRODUCCIÓN. El avance de la tecnología en los últimos tiempos a cubierto un sinfín de necesidades de los seres humanos, día con día se requieren de tecnologías más potentes y también de menor tamaño para cubrir cada una de estas. El uso de los microcontroladores ha contribuido con esto, hoy en día la mayoría de los productos electrónicos del día a día tiene presente un microcontrolador. Existen una infinidad de aplicaciones de los microcontroladores, así como una infinidad también de estos, lo cual causa un poco de conflicto, ya que se debe seleccionar el adecuado para cada aplicación con las características de cada uno. Para conocer una pequeña introducción teórica a lo que son en general los microcontroladores, en la presente investigación muestra una definición general de estos, así como características principales y componentes generales de un microcontrolador. Además, se habla de la diferencia existente entre estos y un microprocesador, para no confundir los términos y tener una idea mas clara de su funcionamiento por separado y en conjunto. También se hace referencia a la clasificación de los microcontroladores, como se mencionó anteriormente hoy en día existe una innumerable cantidad de estos dispositivos, por lo que se han clasificado de manera general en el tamaño de datos que maneja cada una siendo principalmente cuatro grandes grupos. Por ultimo se plantean múltiples aplicaciones que se les dan a los microcontroladores, es decir tareas especificas en las cuales se ocupa la presencia de un microcontrolador, esto basado en los principales fabricantes de microcontroladores como microchip, Texas instruments, st microelectronics, etc.

Ilustración 1- Microcontrolador de Microchip.

DEFINICIÓN DE MICROCONTROLADOR. Un microcontrolador es un microcomputador realizado en un circuito integrado programable, se denomina microcomputador ya que este contiene todos los componentes de un computador en el chip. Un microcomputador se compone de tres bloques principalmente, que son: la CPU (Central Processing Unit), la memoria y la entrada y salida, estos bloques se conectan mediante grupos de líneas eléctricas que se conocen como buses, los cuales pueden ser de direcciones, datos o de control como la muestra la figura 2. Ilustración 2- Esquema básico general de un microcomputador.

Un microcontrolador está destinado a realizar una aplicación puntual, donde este tenga que realizar un pequeño número de tareas asignadas. Esto se debe a que el microcontrolador una vez programado es permanentemente y se encarga de interactuar con los diversos elementos de conexión mediante las líneas de entrada y salida. De esta forma al formar parte de una aplicación, un microcontrolador se conoce como “controlador incrustado” o “embedded controller”. Los microcontroladores poseen los mismos componentes que un computador, pero con la diferencia que sus características son fijas y no se pueden alterar. Los componentes principales son [1]: 1. 2. 3. 4.

Procesador. Memoria no volátil para contener el programa. Memoria de lectura y escritura para contener los datos. Líneas de entrada y salida para los controladores de periféricos: a. Comunicación paralelo. b. Comunicación serie. c. Diversas puertas de comunicación (I2C, USB, etc.). 5. Recursos auxiliares. a. Circuito de reloj. b. Temporizadores. c. Perro guardián (watchdog). d. Conversores AD y DA. e. Comparadores analógicos. f. Protección ante fallos de alimentación. g. Estado de reposo o de bajo consumo.

Para el uso de los microcontroladores existen varias características que son deseables en ellos, las cuales son:    

 

Recursos de entrada y salida: Hace énfasis en los recursos de E/S del dispositivo. Espacio optimizado: Es decir que para realizar una aplicación se tenga el menor espacio posible y con un costo razonable. Microcontrolador idóneo para una aplicación: Para cada aplicación se disponga de un microcontrolador a la medida de ésta. Seguridad en el funcionamiento del microcontrolador: Garantiza que el programa que se este ejecutando corresponde, es decir que, si el dispositivo se pierde, puede tomar una acción inmediata para corregirla. Bajo consumo: Se desea que los microcontroladores consuman poca energía, dependiendo de la aplicación que se le requiera dar. Protección de los programas frente a copias: Protección de la memoria del microcontrolador y su programa.

Ilustración 3- Esquema básico a bloques de un microcontrolador.

DIFERENCIA ENTRE MICROCONTROLADOR, MICROPROCESADOR Y COMPUTADORA. Un microprocesador es un circuito integrado que funciona como la CPU de un microcomputador, en el se contiene la unidad central de proceso (UCP) [2]. Es básicamente el cerebro, y se encarga de traer las instrucciones del programa desde la memoria, las interpreta y ejecuta. De esta se sacan los pines de direcciones, datos y control y se conectan con la memoria y módulos de entrada y salida. Ilustración 4- Microprocesador Por lo tanto, se denomina sistema abierto ya que a partir de el se puede construir un computador con características deseadas y módulos necesarios.

A diferencia de el microprocesador, un microcontrolador se denomina sistema cerrado, ya que contiene el a un microcontrolador completo basado en un microprocesador, lo que le da características limitadas que no se pueden modificar, haciéndolo adecuado para una tarea específica dependiendo del modelo y potencia del microcontrolador.

Ilustración 5- a) Sistema Cerrado (microcontrolador), b) Sistema Abierto (microprocesador).

CLASIFICACIÓN DE LOS MICROCONTROLADORES. La clasificación de los microcontroladores generalmente se basa en el tamaño de los datos que maneja el repertorio de instrucciones y principalmente existen 4 grandes grupos, de 4 bits, de 8, de 16 y de 32. MICROCONTROLADORES DE OCHO BITS . Este tipo de microcontroladores las instrucciones manejan una longitud de datos nativos de 8 bits, y a su vez corresponden con e tamaño de bus de datos y el de los registros de la CPU. Se clasifican en tres gamas: base, media y mejorada. La gama base tiene como principal característica un juego de 33 instrucciones maquina de 12 bits y disponen de un Pila con solo dos niveles de profundidad [3]. Su campo de aplicación es bajo ya que están limitados por sus capacidades de memoria y recursos reducidos. En la gama media los microcontroladores cuentan con 35 instrucciones y cada una con un formato de 14 bits de longitud, además de tener una pila de 8 niveles de profundidad y un vector de interrupciones. Por lo tanto, son más potentes que los anteriores. La gama mejorada cuenta con 77 instrucciones de 16 bits, además una pila de 31 niveles de profundidad y 2 vectores de interrupción. La figura 6 muestra la nomenclatura de un microcontrolador PIC de 8 bits gama mejorada.

Ilustración 6- Nomenclatura PIC gama mejorada.

Este tipo de modelos es muy potente, ya que alcanzan hasta 128 KB de capacidad en la memoria del programa, la de datos 3963 bytes y la EEPROM hasta 1KB. Además, llegan a contener periféricos muy especializados como un conversor AD de 10 bits, hasta 5 temporizadores, e interfaces para comunicación con bus I2C, SPI, USART, CAN 2.0B. MICROCONTROLADORES DE 16 BITS Con el avance de la tecnología y las nuevas necesidades que han ido surgiendo para la humanidad en diversos sectores, se ha requerido de aplicaciones mas complejas que requieren mayor potencia de procesamiento, por lo cual Microchip a diseñado dispositivos con una longitud de datos nativo de 16 bits. Los microcontroladores de 16 bits se pueden clasificar en dos grades grupos: gama MCU de 16 bits y gama DSC de 16 bits.

Ilustración 7- Microcontrolador 16 bits uso general.

PIC’S DE 32 BITS. Microchip es la compañía que lanzo en 2007 los PIC de 32 bits los cuales son mas potentes, los cuales cuentan con una velocidad de procesamiento de hasta 1.6 DMIPS/MHz con capacidad HOST USB. Sus frecuencias de reloj pueden alcanzar los 80MHz a partir de cuarzos estándares de 4 a 5MHz gracias a un PLL interno. Funcionan a 3.3V en sus puertos de entrada y salida, aunque el fabricante indica que salvo en los pines con función analógica, en la mayoría se toleran tensiones de hasta 5V. Disponen de una arquitectura optimizada con alto grado de paralelismo y núcleo de tipo M4K y una elevada capacidad de memoria RAM y FLASH ROM. Todo ello hace que estos MCUs permiten un elevado procesamiento de información [4].

APLICACIONES DEL MICROCONTROLADOR. Los microcontroladores se han desarrollado con el fin de cubrir una amplia gama de aplicaciones, hoy en día los microcontroladores están en la mayoría de los aparatos electrónicos que usamos. Se usan en automoción, equipos de comunicación, telefonía, electrónicos, equipos médicos e industriales, etc. A continuación se presentan aplicaciones de los diversos fabricantes. Microchip.           

Aeroespacial y defensa. Hogar. Medicina. Computación. Internet. Alta temperatura. Soluciones de alto voltaje. Iluminación. Seguridad. Control de motores. Etc.

STMicroelectronics.     

Control de motores. Iluminación. Automatización de fábricas. Aplicaciones medicas Industria aeroespacial.

Ilustración 8- Aplicación en dispositivos medicos.

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Audio y video. Drones. Smartphones Automovilismo.

Texas instruments.      

Automotriz. Equipos de comunicación. Sistemas empresariales. Industria. Internet de las cosas. Etc.

Ilustración 9-Aplicación en drones de STMicroelectronics.

Ilustración 10- Microcontroladores Texas instruments,

REFERENCIAS. [1]F. Valdés Pérez and R. Pallás Areny, Microcontroladores. Barcelona: Marcombo, 2007. [2]J. Angulo Usategui, S. Romero Yesa and I. Angulo Marti ́nez, Microcontroladores PIC. Madrid: McGraw-Hill, 2006. [3]J. Angulo Usategui and I. Angulo Martinez, Microcontroladores pic: diseno practico de aplicaciones. España: McGraw-Hill Interamericana, S.A., 2003. [4]"Microcontrolador PIC", Es.wikipedia.org, 2019. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador_PIC#PIC_de_32_bits_(PIC32). [Accessed: 23- Jan- 2019].