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SERIE DE CIRCUITOS INTEGRADOS MICROPROCESADORES, DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS, OPTOELECTRÓNICOS Y DE INTERFAZ

Traducción: Alexis Méndez Chamorro Ingeniero Mecánico Electricista, U. Anáhuac Investigador Laboratorio de Aplicaciones Electrónicas Escuela de Ingeniería Universidad Anáhuac Revisión técnica: Gerardo Quiroz Vieyra Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica ESIME, IPN Profesor UAM-X Gerente de Informática Aplicaciones Farmacéuticas, S.A. de C.V. Carlos González Ochoa Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica ESIME, IPN Profesor Universidad Anáhuac

SERIE DE CIRCUITOS INTEGRADOS

MICROPROCESADORES, DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS, OPTOELECTRÓNICOS Y DE INTERFAZ

Arthur B. Williams, Editor in chief Vice President of Engineering Research, and Development Coherent Communications Systems Corp. Hauppauge, N. Y.

McGRAW-HILL MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA MADRID • NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO AUCKLAND • HAMBURGO • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI PARÍS • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS SIDNEY • TOKIO • TORONTO

•Fotografía de los forros: ® RICHARD BBUMMETT 1983

MICROPROCESADORES, DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS, OPTOELECTRÓNICOS Y DE INTERFAZ Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS © 1989, respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE MÉXICO, S. A. de C. V. Atlacomulco 499-501, Fracc. Industrial San Andrés Atoto 53500 Naucalpan de Juárez, Edo. de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núm. 1890

ISBN 968-422-455-9 Traducido de la primera edición en inglés de DESIGNER'S HANDBOOK OF INTEGRATED CIRCUITS Copyright © MCMLXXXIV, by McGraw-Hill, Inc., U. S. A. ISBN 0-07-070435-X 1234567890

P.E.-89

Impreso en México

8012345679 Printed in México

Esta obra se terminó de imprimir en abril de 1989 en Programas Educativos, S.A. de C.V. Calz. Chabacano 65-A Col. Asturias Delegación Cuauhtémoc 06850 México, D.F. Se tiraron 3 000 ejemplares

A mi esposa Ellen y a mis hijos Howard, Bonnie y Robin

Lista de colaboradores Hamil Aldridge, Paradyne Corp., Largo, Fia. (Circuitos lógicos de SSI) Peter Alfke, Director, applications Engineering, advanced Micro Devices Inc., Sunnyvale Calif. (Circuitos lógicos de integración a mediana escala) Don Birkley, Tektronix Corp., Beaverton, Oreg. (Microprocesadores) Peter D. Bradshaw, Director of Advanced Applications, Array Technology Inc., San José Calif. (Conversión A/D y DA) Eric G. Breeze, Atari Corp., Sunnyvale, Calif. (Optoelectrónica) Brian Cayton, Marketing Manager, Standard Microsystems Corp., Hauppauge, N.Y. (Dispositivos periféricos de integración a gran escala) Earl V. colé, Atari Corp., Sunnyvale, Calif. (Optoelectrónica) Robert C. Frostholm, Account Manager, Automotive Marketing, National Semiconductor Corp., Santa Clara, Calif. (Circuitos integrados para manejo de potencia) Sid Ghosh, TRW Vidar Corp., Mountainview, Calif. (Lazos con amarre por fase) Randall J. Hipp, Mostek Corp., Carrollton, Tex. (Circuitos de Telecomunicación) Robert C. Jones, Mostek Corp., Carrollton, Tex. (Circuitos de Telecomunicación) Darin L. Kincaid, Mostek Corp., Carrollton, Tex. (Circuitos de Telecomunicación) Dave Kohlmeier, Tektronix Corp., Beaverton, Oreg. (Microprocesadores) Glen M. Masker, Mostek Corp., Carrollton, Tex. (Circuitos de Telecomunicación) William M. Otsuka, President, Optomicronix, Cupertino, Calif. (Optoelectrónica) H. Ilhan Refioglu, Exar Integrated Systems Inc., Sunnyvale, Calif. (Circuitos de temporizacióri) Joel Silverman, Marketing Manager, Siliconix Inc., Santa Clara, Calif. (Circuitos de junciones) Michael R. Sims, Mostek Corp., Carrollton, Tex. (Circuitos de Telecomunicación) Carroll Smith, Applications Engineer, Texas Instruments Corp., Dallas, Tex. (Circuitos de interfaz) Jerri L. Smith, Mostek Corp., Carrollton, Tex. (Circuitos de Telecomunicación) Dr. William R. Warner, Tektronix Corp., Beaverton, Oreg. (Microprocesadores) Arthur B. Williams, Vice President of Engineering, Research, and Development, Coherent Communications Systems Corp., Hauppauge, N.Y. (Amplificadores operacionales y Diseño de filtros activos mediante amplificadores operacionales)

Contenido Prefacio

XVII

1. MICROPROCESADORES 1-1 Introducción I-la Glosario 1-2 El proceso de selección l-2a Comunicaciones Procolos Dispositivos de almacenamiento masivo Diagnósticos Co o multiprocesadores Cantidad l-2b Control: E/S l-2c Computación l-2d ¿Tiempo real? l-2e Ambiente 1-3 Consideraciones l-3a l-3b l-3c l-3d l-3e

Arquitectura de registros Precisión de los registros Simetría Espacio direccionable Pilas

1-4 Conjuntos de instrucciones l-4a Tipos de instrucciones 1-5 Software de apoyo l-5a l-5b l-5c l-5d

1-1 1-1 1-2 1-5 1-5 1-5 1-5 1-5 1-6 1-6 1-6 1-6 1-6 1-7 1-8 1-8 1-8 1-9 1-11 1-11 1-12 1-12 1-12 1-15

Monitores de ROM Núcleo del sistema operativo Lenguajes Aplicación

1-15 1-16 1-16 1-17

1-6 Arquitectura l-6a Un solo CI l-6b Pila interna/externa l-6c Procesadores de rebanada de bits l-6d Coprocesadores l-6e Multiprocesamiento l-6f Periféricos para la solución de problemas

1-17 1-17 1-18 1-18 1-18 1-19 1-19

CONTENIDO

E/S paralelo/serie Contadores/temporizadores Unidades de manejo de memoria (MMU) Acceso directo a memoria (DMA) l-6g Controladores de TRC, GPIB y RAM

1-20 1-20 1-20 1-21 1-21

1-7 Interfaz del sistema

1-21

1-8 Ayudas para el desarrollo

1-22

l-8a Emuladores l-8b Software para depuración l-8c Simulación 1-9 La computadora de una sola tarjeta y la construcción de una propia l-9a Experiencia interna 1-10 Diseño de un controlador de laboratorio l-10a El problema l-10b El proceso de selección l-10c La interfaz de software l-10d La elección y sus motivos 1-11 Diseño de la interfaz del teclado

1-22 1-22 1-22 1-23 1-23 1-24 1-24 1-25 1-25 1-26 1-27

1-1 a Definición del problema 1-1 b El proceso de selección La interfaz de hardware 1-1 e La interfaz de software 1-1 d La elección y sus motivos

1-27 1-27 1-27 1-27 1-27

1-12 Tablas de selección de dispositivos

1-33

Tabla 1-2 Tabla 1-3 Tabla 1-4 Tabla 1-5 Tabla 1-6

Lista de los lenguajes de microcomputadora Microprocesadores de propósito general Procesadores de todo en uno Familias de rebanada de bits Directorio de microprocesadores por fabricante

2. OPTOELECTRÓNICA 2-1 Lámparas tipo LED 2-la Teoría introductoria Fuentes luminosas Teoría de conducción Curvas características de un LED Circuitos de excitación para emisión de alta eficiencia Efectos de la temperatura Tiempo de vida Limitación de corriente

1-34 1-36 1-38 1-42 1-42 2-1 2-1 2-1 2-1 2-1 2-2 2-3 2-4 2-4 2-5

CONTENIDO 2-b Glosario 2-c Ventajas de las lámparas de estado sólido 2-d Características ópticas Lentes y patrones de radiación Unidades de medición radiométricas y fotométricas 2-e Consideraciones sobre la excitación de lámparas Circuitos básicos de excitación de los LED 2-f Selección de LED Consideraciones que rigen la selección de un LED Tabla de diseño Consideraciones de diseño para iluminadores con LED 2-2 Arreglos de gráficas de barras 2-2a Eneapsulados 2-2b Visualizadores de punto móvil y de gráfica de barras 2-2c De codificación y excitación para los visualizadores de gráfica de barras Circuitos que operan con señales analógicas de entrada Circuitos que operan con entradas digitales 2-3 Visualizadores 2-3a Introducción a los visualizadores Niveles de información Tipos 2-3b Tipos de tecnologías de visualizadores Fluorescentes de vacío Plasma de cc Cristal líquido Incandescentes Otras tecnologías 2-3c Factores humanos Relación entre la altura de carácter y la distancia visual Intensidad luminosa contra altura de carácter Intensidad luminosa centra iluminación ambiental Razón de contraste Nebulosidad, "fantasmas" y parpadeo 2-3d Visualizadores de siete segmentos Configuraciones de visualizadores LED Métodos de construcción de visualizadores LED Circuitos de ce para manejo de LED Circuitos de manejo de multiplexados 2-3e Visualizadores alfanuméricos Visualizadores multisegmentos Visualizadores de matriz de puntos 2-3f Visualizadores con electrónica incorporada Definición Cápsulas y construcción Circuitos de manejo Visualizadores típicos

XI 2-6 2-13 2-13 2-13 2-14 2-16 2-16 2-17 2-17 2-17 2-23 2-27 2-27 2-28 2-29 2-29 2-31 2-32 2-32 2-32 2-34 2-35 2-35 2-35 2-36 2-38 2-38 2-39 2-40 2-40 2-41 2-41 2-42 2-42 2-42 2-43 2-44 2-51 2-58 2-58 2-59 2-61 2-61 2-61 2-62 2-62

XII

CONTENIDO 2-3g Visualizadores interactivos Evolución histórica Productos existentes Ventajas Requerimientos de hardware y software 2-4 Optoacopladores

2-65 2-65 2-66 2-68 2-68 2-68

2-4a Teoría de optoacopladores 2-68 2-4b Tipos de optoacopladores 2-72 Ventajas 2-73 2-4c Parámetros de un optoacoplador 2-73 Potencia de salida radiada, intensidad radiada y sensibilidad luminosa (para fuentes y detectores en cápsulas independientes) 2-73 Corriente oscura (símbolo: Iceo o Iceo oscura) 2-74 Razón de transferencia de corriente 2-74 Resistencia y voltaje de aislamiento 2-74 Velocidad de conmutación y retardos de respuesta 2-75 2-4d Circuitos de aplicación 2-75 Interfaz Lógica-analógica con los 6N138 y 6N139 2-75 Interfaz Lógica-a-lógica con el MCL601 y MCL611 2-77 Interfaz Lógica-a-lógica con el HCPL-2602 2-79 Interfaces para circuitos lineales 2-80 Interfaces Lógico-a-potencia 2-82 Interfaz Potencia-a-lógica 2-83 2-5 Tablas de selección de dispositivos Tabla 2-7 Tabla 2-8 Tabla 2-9 Tabla 2-10

Visualizadores alfanuméricos Diodos emisores de luz (LED) Indicadores luminosos diversos Optoacopladores

3. DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

2-86 2-87 2-90 2-91 2-92

3-1

3-1 La necesidad de periféricos LSI 3-la Glosario

3-1 3-2

3-2 Circuitos de comunicación de datos

3-6

3-2a 3-2b 3-2c 3-2d

El UART ACIA Generadores de razón de bauds Interfaz de datos síncroma USRT USART 3-2e Dispositivos de datos multiprotocolo de comunicación

3-3 Controladores de CRT

3-7 3-11 3-11 3-14 3-15 3-15 3-23 3-24

CONTENIDO 3-3a El sistema de CRT Atributos Gráficas Descripción del controlador de CRT 3-3b Generadores de caracteres 3-4 Controladores de disco flexible 3-4a Controlador formateador de disco flexible 1791

XIII 3-24

3-32 3-40 3-42

3-5 Codificadores de teclado

3-43

4. CIRCUITOS DE INTERFAZ

4-1

4-1 Introducción 4-1a 4-1b 4-1c 4-1d 4-1e 4-1f

Manejadores para periféricos Circuitos de línea Manejadores de vísualizadores Amplificadores sensores Manejadores para memoria de núcleos Manejadores para memorias MOS

4-2 Aplicaciones de manejadores para periféricos 4-2a 4-2b 4-2c 4-2d 4-2e 4-2f 4-2g 4-2h 4-2i

Manejadores para lámparas Manejadores para relevadores Detección de corriente Lámparas destelladoras Aislamiento de cargas Desplazamientos de nivel Manejo de cargas de alta corriente Manejadores de líneas balanceadas Conversión de motor paso a paso a TTL

4-3 Circuitos de línea 4-3a Normas EIA RS-232C RS-422A/423A Norma RS-485 4-3b El bus GPIB IEEE 488 4-3c Líneas coaxiales 4-4 Manejadores de visualizadores 4-4a Visualizadores LED 4-4b Visualizadores fluorescentes al vacío 4-4c Visualizadores de plasma de ca 4-4d Visualizadores de plasma de ce índice

4-1 4-1 4-1 4-5 4-5 4-8 4-8 4-8 4-9 4-13 4-14 4-16 4-17 4-20 4-21 4-26 4-28 4-32 4-33

4-44 4-48 4-49 4-49 4-56 4-58 4-65

Presentación de la serie de circuitos integrados Seleccionar o diseñar un circuito integrado implica una ardua investigación bibliográfica, con mucho tiempo de por medio y la frustración muchas veces de no encontrar el dato buscado. Dada esta necesidad nos dimos a la tarea de publicar una serie de CIRCUITOS INTEGRADOS, que incluyera la colección más completa de los circuitos integrados más conocidos y útiles. Gracias a los diagramas prácticos de selección de dispositivos, el lector podrá comparar diferentes circuitos integrados pertenecientes a la misma familia para escoger el más adecuado. Las configuraciones recomendadas llevan a las soluciones más prácticas y rentables para los problemas de diseño con que nos encontramos más a menudo. La serie está formada por cuatro libro; en cada uno se trata una familia diferente de circuitos integrados; así la información referente a un circuito podrá encontrarse con rapidez y facilidad. Escrita por reconocidos expertos en las diversas familias de circuitos, esta serie se orienta a las aplicaciones y abarca los siguientes temas: Libro 1: Libro 2: Libro 3: Libro 4:

Amplificadores operacionales, circuitos de función y diseño de filtros activos mediante amplificadores operacionales. Circuitos de telecomunicación, lazos con amarre por fase, circuitos de temporización, circuitos integrados para el manejo de potencia. Conversión de A/D y D/A, circuitos lógicos SSI, circuitos lógicos MSI. Microprocesadores, optoelectrónica, dispositivos periféricos LSI y circuitos de interfaz.

Nos esforzamos mucho para solucionar esta urgente necesidad y no dudamos que el ingeniero, técnico, estudiante o aficionado encontrarán en esta SERIE DE CIRCUITOS INTEGRADOS, un útil auxiliar para su trabajo diario.

El editor

Prefacio Los circuitos integrados (CI) han simplificado muchísimo el diseño de los complejos circuitos analógicos y digitales. En la década pasada numerosos fabricantes produjeron una extraordinaria variedad de ellos. El ingeniero o técnico, cuando afrontan la tarea de seleccionar los circuitos integrados y su diseño, deben consultar un gran número de catálogos de los fabricantes y un reducido número de notas de aplicaciones, a fin de ensayar y determinar la configuración óptima de los circuitos integrados y del circuito que se requieren. Las hojas de datos de los catálogos sirven para definir los parámetros de operación y del peor caso de un dispositivo en particular, pero no pueden utilizarse como una guía de selección, puesto que los circuitos integrados no se evalúan a partir de comparaciones. Por lo demás, estos catálogos y notas de aplicación se limitan a los circuitos integrados de un fabricante y están organizados según el tipo de circuito integrado, no según la aplicación. Este libro se propone cumplir un doble propósito. Se da igual importancia a las aplicaciones de los circuitos integrados que a la selección de dispositivos. Los expertos proporcionan las configuraciones preferidas de los circuitos integrados, de modo que es fácil obtener soluciones prácticas y probadas a los problemas de diseño que se presentan frecuentemente. Este libro no pretende sustituir los catálogos de circuitos integrados, puesto que resultaría totalmente impráctico incluir parámetros detallados acerca de todos los circuitos aquí explicados. La selección de dispositivos, junto con las exposiciones pormenorizadas y los ejemplos de diseño, ayudarán a escoger la mejor configuración de circuito y diseño para una aplicación determinada. El capítulo 1 se ocupa del proceso de selección y de las consideraciones que intervienen en la determinación del microprocesador óptimo para una aplicación determinada. La arquitectura del microcircuito (chip), el software de soporte y otros temas fundamentales se exponen en forma detallada. El capítulo 2 trata de la optoelectrónica. Se estudian la teoría, aplicación y selección de las lámparas de LED, los indicadores digitales de barras, los indicadores digitales alfanuméricos y los optoacopladores; también se dan muchos ejemplos prácticos del proceso de selección y diseño. Los dispositivos periféricos LSI se describen en el capítulo 3. Se presentan la operación, aplicación y selección de dispositivos como los UART, los controladores de tubos de rayos catódicos y los controladores de disco flexible. La aplicación y selección de circuitos de interfaz se examinan en el capítulo 4, en el cual se incluyen dispositivos como las unidades periféricas, los circuitos de línea y las unidades de excitadoras de indicadores digitales. Me gustaría agradecer a los colaboradores tan numerosos y a sus compañías por los esfuerzos que hicieron para lograr que este libro fuera lo más completo posible desde el punto de vista técnico y, al mismo tiempo, para darle suficiente importancia a las aplicaciones ordinarias de los circuitos integrados. Arthur B. Williams

Editor

Capítulo

1

MICROPROCESADORES

Dr. William R. Warner Dave Kohlmeier Don Birkley Tektronix Corp. Beaverton, Oreg.

1-1 INTRODUCCIÓN Este capítulo describe el proceso de selección del microprocesador más apropiado para una aplicación determinada (Fig. 1-1). Asimismo, se presentarán algunos criterios que permitan determinar si es necesario el empleo de un microprocesador en una aplicación determinada. Las capacidades y los costos de los microprocesadores son muy variados y con un crecimiento muy rápido. Se les utiliza en gran variedad de aplicaciones, desde las microcomputadoras de 4 bits de un solo CI (circuito integrado), como la serie TMS-1000, para aplicaciones de gran volumen y bajo costo (como los juegos electrónicos y los hornos de microondas) hasta la generación de procesadores de 16 bits como el Motorola 68000 y el Zilog Z-8000, con capacidades de programación similares a las de una computadora. Para la realización de funciones sencillas de bajo volumen, el empleo de microprocesadores puede ser una solución costosa en comparación con el empleo de lógica ordinaria, y si la velocidad es un factor importante, un microprocesador puede llegar a ser demasiado lento. Sin embargo, con microcomputadoras que cuestan menos de 10 dólares y computadoras de una sola tarjeta cuyo precio fluctúa alrededor de 200 dólares, una solución a base de computadora resulta atractiva en muchas aplicaciones. Para decidir si es adecuado el empleo de un microprocesador

1-2

MICROPROCESADORES

Figura 1-1 El proceso de selección. en una aplicación determinada, utilícense las recomendaciones y comparaciones descritas en este capítulo.

1-1a Glosario ACIA asynchronous Communications interface adapten Dispositivo similar a una UART que intercomunica el bus de datos de un microprocesador con un dispositivo asincrono como, por ejemplo, una terminal. (Nota: la terminal no estaría directamente conectada a la ACIA, sino a través de un buffer.) A/D Analógico a digital. Algoritmo algorithm: Enunciado exacto y paso a paso de la solución de un problema. Arrancador boot: Programa de inicio a las operaciones de una computadora. Por lo regular, este programa sólo da principio a la "carga" de un sistema operativo o programa más comoleto. ASCI American Standard Interchange Code: Código de 7 bits con que se representa un juego de caracteres de impresión y cierta información de control. Este código se emplea con frecuencia en las terminales de datos tipo TTY. Asincrono asynchronous: Que no está sincronizado por un reloj maestro. Un ejemplo típico sería una terminal de teletipo o una RS-232, en las cuales los caracte-

INTRODUCCIÓN

1-3

res se transmiten en intervalos asincronos, y los bits individuales se transmiten a una velocidad establecida. El transmisor envía información a una velocidad dependiente de su propio reloj interno, mientras que el receptor muestrea la línea basándose en su propio reloj interno, una vez que detecta que se está enviando información. Baud: Término comúnmente empleado para indicar bits por segundo. En rigor, es el número de elementos de señal por segundo. BCD binary coded decimal: Código binario donde se utilizan 4 bits para codificar los números del 0 al 9. Byte: Grupo de 8 bits. CAS colum address strobe: Muestreador de dirección de columna (véase RAS). Código fuente Source code: Forma legible de un programa para un ser humano. La entrada a un compilador o ensamblador. Código objeto object code: Representación de un programa a nivel de máquina, es decir, la salida de un compilador o un ensamblador. CPU central processing unit: Unidad central de procesamiento. En una microcomputadora vendría siendo el microprocesador. Para todas las computadoras en general, sería la porción dedicada a las funciones generales de aritmética y control. D/A Digital a analógico. DAC Convertidor de digital a analógico. DMA (acceso directo a memoria) direct memory access: Proceso mediante el cual un dispositivo periférico llega a la memoria principal directamente, en vez de hacerlo a través de la CPU. DOS disk operating system: Sistema operativo de disco. Emulador emulator: Dispositivo que se conecta a un circuito prototipo bajo prueba y sustituye al microprocesador. Por medio de él el diseñador puede controlar al prototipo. Ensamblador assembler: Programa que convierte un lenguaje de máquina en forma nemotécnica en un formato objeto binario para que pueda ser ejecutado por la computadora. EPU extended processing unit: Dispositivo que, acoplado a la unidad central de procesamiento, expande la capacidad de la CPU (p.ej., un procesador de punto flotante para un microprocesador, también se le conoce como procesador aritmético). Espacio direccionable addres space: La cantidad de memoria que un procesador puede direccionar sin hardware adicioi.al. Algunos procesadores nuevos utilizan también el término "espacio direccionable" para designar una de varias regiones de memoria separadas por completo que sólo son accesibles a programas que corren en un modo determinado. FFT Fast Fourier Transform: Transformada rápida de Fourier. Algoritmo de análisis numérico utilizado en el procesamiento de señales y temas afines. FIFO//m in, first out (primero en entrar primero en salir): Se refiere a la manera de introducir y extraer información en una memoria. En este caso, los datos o instrucciones que saldrán primero serán los que llegaron primero.

1-4

MICROPROCESADORES

GPIB general purpose interface bus: Conocido también como interconexión de interfaz po IEEE 488. K: Unidad de memoria en los sistemas digitales. 1K = 1024 que es la unidad binaria más cercana al número decimal 1000. Núcleo Kernel: Grupo de subrutinas de software que realizan las funciones básicas del sistema operativo. Por lo general, son capaces de iniciar otros programas, cargar programas, asignar recursos y otras funciones similares. No incluyen programas como ensambladores, compiladores, sistemas de archivo, etcétera. Programa cruzado cross program: Generalmente un compilador o un ensamblador, que se localiza en la computadora pero que genera programas o información para otra computadora. Existen compiladores que corren en computadoras grandes. Éstos generan el código para las pequeñas microcomputadoras que no cuentan con los medios para correr un compilador. RAS row address strobe: muestreador de dirección de renglón: Señal con que se indica que una porción de una dirección se presenta a las patas multiplexadas de dirección de la memoria. Robo de ciclo cicle-stealing: Método para transferir información desde la memoria o hacia ella, sin que el CPU dirija el ciclo del bus de datos. Se realiza por un periférico que mantiene el procesador fuera del bus de datos durante un ciclo mientras transfiere los datos; es una forma de DMA. RS-232: Interfaz industrial estándar para la transferencia de datos. El estándar lo publica la EIA. SBC Single Board Computer Computadora de una sola tarjeta: Diversos fabricantes cuentan con tarjetas de circuito que contienen microprocesador, RAM, ROM, puertos de E/S y receptáculos extra para memoria adicional. Estas tarjetas pueden utilizarse para evaluar microprocesadores o emplearse directamente en aplicaciones de bajo volumen como parte del producto terminado. SDLC synchronous data-link control: Protocolo de comunicación para enlaces síncronos de datos. Semidúplex half-duplex: Técnica de comunicación en la cual la información sólo puede transmitirse en una dirección en un tiempo determinado. Síncrono synchronous: Que está sincronizado por un reloj maestro. Suma de verificación checksum: Campo de datos añadido después de un bloque de datos; se emplea para verificar cualquier error en la información. Casi siempre la suma de verificación será la suma truncada de todos los bytes en el campo de datos; no obstante, existe otra serie de métodos. Traer fetch: Primera operación de memoria de un ciclo de instrucción, en que la instrucción es traída de la memoria a la CPU. TTY: Abreviatura común o siglas de teletipo, o dispositivo similar. UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter. Dispositivo utilizado para convertir información en paralelo (p.ej., de un microprocesador) para información serie o a partir de ella (p.ej., un puerto de entrada/salida terminal). VRC verificación por redundancia cíclica SRC: cycle redundancy check: Método de calcular las verificaciones de suma basado en polinomios binomiales. Tiene una detección de error mejor que una suma de verificación ordinaria.

1-2 EL PROCESO DE SELECCIÓN

1-5

1-2 EL PROCESO DE SELECCIÓN

Se debe establecer en forma clara y rigurosa que el proceso de selección presenta dos facetas: La definición del problema La selección del procesador Pondremos atención primero en algunas de las consideraciones en la definición del problema. La selección de un microprocesador entre un cúmulo de productos que hay en el mercado no puede ser más que una adivinanza, a menos que su aplicación esté completamente definida. En la definición de la aplicación, tanto el presente como el futuro deberán tomarse en cuenta. Con frecuencia, la especificación inicial no prevé los cambios que puedan surgir durante el proceso de desarrollo o cuando el producto esté ya en el mercado. Esta sección proporciona al lector algunos puntos que deben considerarse al decidir si la aplicación está plenamente descrita. 1-2a Comunicaciones

Las comunicaciones aunadas a la computación no son una tarea fácil, de manera que con frecuencia se pasan por alto a pesar de que existen muchas obras al respecto. Es importante que el diseñador se dé cuenta de la degradación potencial del funcionamiento de un procesador cuando éste deba manejar una tarea de comunicaciones. Algunas de las áreas de preocupación se enumeran en las secciones siguientes. Protocolos ¿Se requiere que el producto se comunique por medio de un enlace de hardware que tiene un protocolo específico? Esto puede llegar a representar una cantidad sustancial de software, si es que se requiere que el procesador asigne un formato a un buffer con información de control específica, que inserte caracteres de escape de enlace de datos, calcule sumas de verificación u otras funciones computacionales complejas. Si se considera este tipo de problema, se debe investigar los tipos de CI para los protocolos que existen. Dispositivos de almacenamiento masivo Incluso los controladores de disco más complejos no realizan nada en términos de administración de archivos, de manera que la adición de un disco flexible (floppi) requerirá complicadas rutinas de apoyo y, de nuevo, tiempo del procesador.

Diagnósticos Desde las computadoras para todo uso hasta los más pequeños controladores deberán incluir procesos de diagnóstico en sus diseños originales. También en este caso, de la manera en que los resultados de estas pruebas sean comunicados dependerá la cantidad necesaria de software.

1-6

MICROPROCESADORES

Co o multiprocesadores Este punto puede indicar por sí mismo el tipo de procesador. En la mayor parte de los casos, el diseño de sistemas con comunicación de varios procesadores requiere información específica de los procesadores, especialmente en el formato del coprocesador. En una configuración de varias tarjetas, el bus de datos que se diseñe desde el principio será el que determine la flexibilidad del crecimiento del sistema. No sería exagerado decir que la especificación de la interconexión de la mayor parte de los sistemas en el mercado actual es el factor que más limita la expansión a mayores niveles de rendimiento. Cantidad En algunos casos, la cantidad de los datos que deben ser manejados por,el procesador puede sugerir soluciones diferentes. Algunas pueden ser la adición de un controlador de comunicaciones, la selección de un procesador con la capacidad de hacer movimientos de bloques de datos, o un dispositivo de acceso directo a memoria (DMA). La definición de los requisitos de comunicación de un procesador debe ser completa y detallada, de lo contrario, la selección del procesador estará basada en un conjunto incompleto de datos. 1-2b Control: E/S

Si se desea que la computadora controle equipo externo, será importante definir la interfaz entre el equipo y la computadora. Esta interfaz se compone de dos grandes partes: la interfaz de hardware y la de software. Primero, en el diseño de la interfaz de hardware hay que considerar de qué manera se transfieren el control y los datos a los periféricos. El dispositivo puede estar mapeado en memoria o conectado por medio de un CI de interfaz, como un ACIA o un PIÓ, o puede estar interconectado a través de un dispositivo más especializado; por ejemplo, un controlador de disco. Si se pone una interfaz a un equipo o dispositivo no estandarizado, deberemos estar seguros de que se ha protegido el sistema de cómputo contra el ruido o las fallas del equipo periférico. La interfaz de hardware/software es tan importante como la de hardware. Se debe poner gran atención en la interfaz de software debido a que la operación global del sistema está limitada en ocasiones por aspectos de la programación. A menudo, el software debe considerar dos niveles de control: el control de los puertos de entrada y salida (I/O) que lo comunican con el mundo exterior y, segundo, lo que se comunica con los dispositivos externos que lo hace funcionar. Al diseñar el sistema deberemos estar seguros de tener en cuenta los intercambios entre hardware y software. Si depositamos una gran cantidad de control en el software, ¿será capaz de manejar esta carga el procesador que hemos considerado utilizar? ¿Sería más barato utilizar un procesador más poderoso y/o más memoria, o convendría manejar las funciones por medio de equipo periférico? 1-2c Computación

Considérese la complejidad de los cálculos que requiere su aplicación.

1-2 EL PROCESO DE SELECCIÓN

1-7

1.

¿En qué forma se adquiere y/o guarda la información; en binario o en BCD? Si los datos están en binario puro, debemos estar seguros de que el procesador puede manejar con facilidad la precisión de la información. No resulta tan complicado ni requiere tanto tiempo escribir rutinas aritméticas multibyte, pero (según el tamaño del proyecto) el incremento en la confiabilidad, la disminu ción en la cantidad de código y memoria y el menor tiempo de desarrollo justi ficarán, con mucha probabilidad, el costo elevado de un procesador con un tamaño mayor de palabra. 2. ¿La naturaleza de la información es numérica o alfanumérica? Si los datos son principalmente alfanuméricos, los procesadores de 8 bits podrán realizar la función en forma adecuada. 3. ¿La velocidad es un factor importante de diseño? Aplicaciones como el proce samiento de señales requieren con frecuencia operaciones matemáticas comple jas, como la transformada rápida de Fourier (FFT), que deben efectuarse en algún tiempo crítico. Si contamos con un requisito riguroso de velocidad, ten dremos que evaluar el algoritmo que emplearemos con los posibles procesado res, para averiguar si su velocidad de procesamiento es la adecuada. 4. ¿La información es de punto flotante? Existe un par de consideraciones impor tantes en este aspecto. Primero, no tiene sentido volver a inventar software para punto flotante. Verifique si existe un lenguaje de alto nivel con aritmética de punto flotante. De lo contrario, o si no desea emplear un lenguaje ensam blador por varias razones, busque subrutinas de punto flotante, en forma de código fuente o en ROMs de posición independiente. Segundo, ¿la velocidad del procesador es adecuada para facilitar operaciones de punto flotante? Si la respuesta es negativa, considérese entonces la posibilidad de emplear hardware externo de punto flotante para efectuar los cálculos. 1-2d ¿Tiempo real? Hay aplicaciones donde la velocidad de respuesta ante una exigencia externa es decisiva. El número y frecuencia de estas exigencias externas determinarán la forma en que sean manejadas. El empleo de dispositivos de E/S es la solución de hardware más barata, pero es lenta en comparación con las interrupciones (interrups) vectorizadas. ¿Existe la necesidad de un reloj de tiempo real? La inclusión del sello con la hora en los archivos de los usuarios es un detalle agradable en las máquinas de aplicación general. ¿Tiene el procesador el tiempo para manejar una interrupción de reloj y las rutinas que la manejan? ¿Cuál es el número máximo de dispositivos que se permitan para interrumpir al procesador? Se necesita calcular la carga máxima en el procesador, esto es, la cantidad de procesamiento que puede solicitarse antes de que se pierda la información. Una computadora con ocho terminales que transmita a 2400 bytes por segundo, y que a la vez mantiene un reloj de tiempo real y se comunica con un disco duro, presentará una necesidad específica en la búsqueda de un procesador.

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1-2e Ambiente Los ambientes de operación varían con cada aplicación. Los intervalos de temperatura de un controlador industrial serán mucho más amplios que los de una computadora. El consumo de potencia de una aplicación alimentada con energía solar requerirá cierto tipo de procesador. Si se necesita proteger el procesador contra la radiación, esto también reducirá el intervalo. También el tamaño físico puede necesitar estar limitado. Los ejemplos anteriores son unos cuantos de los que pueden citarse, pero ilustran al lector respecto al proceso de la definición completa del problema. LJna vez que el problema está definido, el proceso de selección se convierte en uno de evaluación de compromisos.

1-3 CONSIDERACIONES

1-3a Arquitectura de los registros Número de registros Una de las principales consideraciones de la elección del procesador más adecuado para que ejecute el tipo de software al que se destina, es la arquitectura de los registros. El primero y quizás el más obvio atributo que debe tenerse en cuenta es el número de registros. Una tendencia común al respecto sería decir "cuanto más registros, mejor", pero hay consideraciones más importantes. Examinemos los dos ejemplos extremos que se dan a continuación. 1. El Mostek 3870 tiene un banco de 64 registros de propósito general; sin embar go, la mayor parte de las operaciones aritméticas deben efectuarse en el único registro "D". Dieciséis de los registros de propósito general pueden direccionarse directamente, y ocho de ellos, están más o menos reservados para aplica ciones específicas. A los 48 registros restantes debe accederse en forma indirecta a través de otro registro de dirección. La figura 11-2 muestra la arquitectura del 3870. 2. El Motorola 68000 tiene sólo 8 registros de datos de propósito general. Sin embargo, no existe distinción en la forma en que se accede a estos registros, y prácticamente cualquier operación aritmética puede efectuarse directamente en cualquiera de estos registros (Fig. 1-3). Aquí cabría hacerse la pregunta: ¿El 3870 es el "mejor" porque tiene más registros o será el 68000 porque direcciona los registros con más facilidad? Es obvio que existen más consideraciones que el mero número de registros; aun así, el 3870 con sus 64 registros puede ser utilizado en aplicaciones pequeñas de-control que no requieran RAM adicional, mientras que la generalidad de los 68000 proporciona mayor capacidad de cómputo.

1-3 CONSIDERACIONES

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Figura 1-2 Los registros programables, puertos y mapa de memoria del 3870.

1-3b Precisión de los registros

Una de las preguntas más importantes que se deben hacer acerca de la arquitectura de los registros del microprocesador es la precisión de los registros. Si va a realizar gran cantidad de cálculos, conviene que los registros sean lo suficientemente grandes como para permitir operaciones aritméticas con un solo registro. A cambio de

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un procesador más pequeño y menos costoso se requiere mayor espacio de código y más tiempo de ejecución para la aritmética de precisión múltiple. Asimismo, a menos que se emplee un lenguaje de alto nivel que maneje en forma automática la precisión de multibyte, se tardará más tiempo escribiendo y corrigiendo errores en el software. La dimensión máxima, sin signo, de entero contra registro es: 4 bits............................................................................................. 15 8 bits............................................................................................255 16 bits ....................................................................................... 65535 32 bits............................................................................... 4294967295

Figura 1-3 El microprocesador 68000.

1-3 CONSIDERACIONES

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Algunos de los procesadores de 8 bits están previstos para que efectúen operaciones aritméticas con 16 bits en un par de registros de 8 bits o en registros especiales de 16 bits. 1-3c Simetría

La simetría de un procesador se refiere a la posibilidad de intercambiar instrucciones, los modos de direccionamiento y los registros. Si RO puede moverse a R4, ¿puede entonces R4 ser movido a ROÍ Si RO puede cargarse mediante cualquier modo de dirección, ¿puede cualquier otro registro cargarse en forma similar? ¿Pueden efectuarse las operaciones aritméticas en cualquiera de los registros de aplicación general? ¿Puede moverse la información de cualquier registro a uno cualquiera, de cualquier registro a la memoria o de una memoria a otra? Las respuestas afirmativas a estas preguntas indican que efectivamente el procesador cuenta con un alto grado de simetría en su conjunto de instrucciones y en la arquitectura de sus registros. La simetría es una característica deseable en un procesador, pues por lo general facilita y acelera la codificación. 1-3d Espacio direccionable

El "espacio direccionable" de un procesador es la cantidad de memoria que puede direccionar sin ayuda de un banco externo de selección. El espacio direccionable de una serie de procesadores comunes se presenta en la tabla 1-1. Tabla 1-1 Espacio direccionable para varios procesadores. Compañía Intel Mostek Mos Technology Intersil Signetics National Intel Intel Zilog Motorola Mos Technology RCA TI Intel Zilog Motorola

Procesador 8048 3870 6503 6100 2650 SC/MP 8080 8085 Z-80 6800 6502 1802 9900 8086 Z-8001 68000

Espacio direccionable 1K 2K 4K 4K 32K 64K 64K 64K 64K 64K 64K 64K 64K 1M 8M 16M

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Como se puede ver, hay una amplia gama de capacidades disponibles en términos del espacio direccionable. La cantidad de memoria que se necesita dependerá principalmente de la aplicación a la que se destine. Un programa simple para un juego electrónico puede requerir 1 ó 2 kbytes de código, mientras que un programa moderadamente complejo puede exceder con facilidad los 64 kbytes. Los procesadores de 16 bits, como el 68000 y el Z-8000, tienen otra característica, es decir, cuentan con múltiples espacios direccionables. Esta es una cualidad muy vieja de las macrocomputadoras y de las minicomputadoras que, como muchos otros conceptos de "computadora grande" han pasado al campo de los microprocesadores. Pongamos por ejemplo, el caso del Motorola 68000. Existen tres líneas de "código de función" que salen de un 68000. Estas líneas codifican (entre otras cosas) si el 68000 se encuentra en modo de usuario o de supervisión y si el 68000 está haciendo un acceso de programa o un acceso de datos. Esta información puede utilizarse para decodificar la memoria, de manera que existan cuatro espacios de memoria separados y distintos entre sí, cada uno con un espacio de 16 Mbytes (programa supervisor, datos de supervisor, programa de usuario y datos de usuario). Esta división proporciona un espacio direccionable total de 64 Mbytes. La partición del espacio direccionable puede llegar a ser una característica de gran valor, especialmente en sistemas de cómputo para todo uso y multiusuarios. Esto se debe a que no sólo expande el espacio de memoria, sino que además suministra un mecanismo para proteger el código del sistema operativo contra un acceso indebido o contra su alteración por medio de un programa de usuario, ya que un programa que corre bajo el modo de usuario, no puede generar una referencia para el espacio direccionable de supervisor. 1-3e Pilas

Una cualidad muy importante en un procesador es la arquitectura de su pila. Las máquinas viejas, como la 8008 y la 2650, tienen pilas internas con una longitud fija que limita el grado de anidado en las subrutinas, mientras que las máquinas más recientes poseen registros de apuntador de pila que acceden a la memoria externa para la pila, lo que permite un anidado y transferencia de argumentos limitados sólo por la memoria disponible. 1-4 CONJUNTOS DE INSTRUCCIONES 1-4a Tipos de instrucciones Matemáticas La mayor parte de los procesadores son muy similares entre sí en términos de las instrucciones disponibles. Los procesadores más potentes cuentan con instrucciones para multiplicar y dividir. Si nuestra aplicación requiere aritmética en BCD, deberemos verificar si el procesador está diseñado para manejar BCD.

1-4 CONJUNTOS DE INSTRUCCIONES

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Lógica Las funciones AND, OR, XOR y la función NOT (y, o, o exclusiva y no) son muy comunes entre casi todos los procesadores. También muy convenientes, pero no siempre disponibles, son una variedad de pruebas de bit y operaciones con conjuntos. Para la operación del sistema y el control de tiempo real a veces se necesita tener una instrucción indivisible de prueba y establecimiento, un grupo de instrucciones para el control de semáforos. Transferencia de control Se debe tener en cuenta un buen conjunto de condicionales. Es conveniente tener tanto proposiciones de transferencia en verdadero como en falso para cada una de las condiciones probadas. Una consideración muy importante es la estructura de subrutinas del procesador, ya que la estructura de codificación moderna se apoya fuertemente en el empleo de subrutinas. Algunos procesadores (el 1802, por ejemplo) no cuenta con una sola instrucción de transferencia a subrutina, y requieren varias instrucciones para generar una llamada de subrutina anidable. Otros procesadores —como el 2650, por ejemplo— cuentan con una pila de subrutina interna, que limita el número de niveles de subrutina que pueden anidarse. Un procesador que vaya a tener más de unos cuantos cientos de bytes de código deberá tener una pila externa con capacidad para subrutinas. Transferencia de datos Las consideraciones principales en la evaluación de las instrucciones de transferencia de datos son la simetría y el número de modos de direccionamiento disponibles. Una instrucción de movimiento de bloque resulta algunas veces de utilidad, pero con instrucciones de ciclo y varios registros de índice, un código puede hacerse tan eficiente como cuando no se cuente con la instrucción de movimiento de bloque. Control de máquina Las instrucciones de este grupo varían ampliamente entre los dispositivos. Si se emplean interrupciones, deberemos asegurarnos que se incluyan instrucciones apropiadas para el control de las interrupciones de la aplicación. ¿Existe un solo nivel de interrupción o varios; pueden desactivarse en forma selectiva las interrupciones? Si el procesador se va a encargar de administrar un sistema operativo de propósito general, es muy conveniente contar con un supervisor o modo de sistema de operación donde ciertas proposiciones de control de máquina sumamente críticas se vean privilegiados por encima del modo de sistema. Esto, junto con la administración de la memoria, hace posible que se cuente con una medida de la seguridad del sistema operativo. Modos de direccionamiento Esta sección explica los modos de direccionamiento con los que se trabaja en los microprocesadores. Por desgracia, cada fabricante emplea terminología ligeramente distinta para sus productos. La terminología que se empleará aquí es una combinación de términos utilizados en procesadores distintos. A pesar de que la mayor parte de estos términos están comúnmente aceptados, se debe estar alerta a las discrepancias, pues algunos fabricantes utilizan nombres diferentes para designar algunos de estos modos.

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Direccionamiento de registro: Los datos que deben manejarse se encuentran en uno de los registros internos del procesador. En general, ésta es una operación rápida ya que no se requiere acceso a la memoria para colectar los datos, p. ej., CLEAR RO. Indirecto de registro o registro base: Un registro del procesador contiene la dirección de los datos a los que se accederá. Este es un modo utilizado con mucha frecuencia en los procesadores que lo poseen. Se necesita un acceso de memoria para colectar los datos. Esto presupone que una instrucción previa ha cargado el registro con la dirección donde se encuentran los datos. Para acceder una sola vez a los datos diseminados por la memoria, éste resulta un modo ineficiente, puesto que se necesita otra instrucción para cargar la dirección de los datos. Sin embargo, es un modo de gran valor cuando se trata de acceder a un mismo dato repetidas veces. Indirecto de memoria: Un lugar en la memoria principal contiene la dirección del dato. Éste es un modo lento pero poderoso y útil para direccionar, p. ej., LOAD, R0 @ ADDRESS:

100 101 102 1234 1235 4008

LOAD R0 @ 12 34 40 08 76

La instrucción en la posición 100 es una carga indirecta de R0 a través de la posición 1234. Esta última contiene la dirección de los datos, 4008. Esta posición contiene la información deseada, 76. Direccionamiento directo o absoluto: La dirección de la información precede a la instrucción en memoria. Este modo es menos eficiente para datos a los que se accede con frecuencia que el modo indirecto de registro, pero resulta mejor para datos que no se solicitan con frecuencia. Relativo de PC: Este modo de direccionamiento emplea un desplazamiento desde el contador de programa (PC: program counter) para direccionar los datos. Esta instrucción es intrínsecamente independiente de la posición (un programa que sea independiente de la posición puede moverse a cualquier dirección de la memoria sin ser reenlazado o reensamblado en cualquier forma). Sin embargo, la gama es usualmente muy limitada. Direccionamiento inmediato: Los datos siguen inmediatamente a la instrucción moviendo el número 5 al registro 0. Desplazamiento de base: Un desplazamiento se añade a un acceso indirecto de registro: p. ej., MOVE DO, 26(A5) moverá el contenido del registro DO al lugar de memoria que se encuentra 26 bytes después de la posición direccionada por el registro A5. Este modo se emplea con frecuen-

1-3 SOFTWARE DE APOYO

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cia en los lenguajes de alto nivel con estructura de bloques, en los cuales un registro base contiene un apuntador de un espacio local de datos para una rutina y el desplazamiento de la referencia para un dato en particular dentro del espacio de datos. Indizado El indizado no es en sí un modo de direccionamiento, pero se aplica con frecuencia en varios de estos modos. En un modo de dirección indizado, el contenido de un registro índice se añade a una dirección calculada por algún otro modo de direccionamiento para obtener la dirección final. Este modo se utiliza normalmente para manipular arreglos de datos, y también es útil para manejar estructuras de datos. El incremento o decremento automático de los registros índice son una característica muy común y útil en la mayor parte de los procesadores.

1-5 SOFTWARE DE APOYO 1-5a Monitores de ROM

El monitor de ROM es una de las herramientas más primitivas, pero a la vez más comunes, para la detección y depuración de errores. Es un simple programa suministrado en ROM por el vendedor del microprocesador, y le da al usuario un número limitado de herramientas de software para la depuración (debugging) con las cuales desarrollar el software inicial del sistema. El monitor de ROM se incluye por lo regular con una computadora de una sola tarjeta, o tablero de demostración, y puede comprarse por separado si el diseñador sólo está comprando los componentes del microprocesador. Si el monitor de ROM se va a poner en una tarjeta de diseño propio, habrán de cumplirse ciertos requisitos de la configuración del sistema. Generalmente, el monitor requerirá un CI periférico de E/S, díreccionado a un lugar de memoria en particular, así como la configuración de una parte de RAM a un lugar específico. Las operaciones disponibles en el monitor suelen ser: Examinar y cambiar memoria Mostrar el contenido de la memoria Cambiar el contenido de la memoria Mostrar los registros del procesador Establecer los registros del procesador Realizar la ejecución del procesador paso por paso Arrancar la ejecución del procesador desde cualquier posición Establecer uno o más puntos de ruptura Cargar un programa objeto formateado (desde una cinta magnética o cinta de papel perforada) Grabar en cásete o cinta de papel perforada el contenido de la memoria Comunicarse con una computadora central

1-16 MICROPROCESADORES

En ocasiones, un "ensamblador de una línea" se encuentra disponible en ROM. Este ensamblador le permite al usuario introducir los códigos de la instrucción de operación con el nemotécnico de ensamblador y los operadores de datos y las direcciones con valores numéricos absolutos. Con un ensamblador de una línea el usuario podría, por ejemplo, introducir la instrucción para un 8085 "salta a 1000" como "JMP 1000" en vez de "C30010".

1-5b Núcleo del sistema operativo En la fecha de publicación de esta obra tan sólo unos pocos de los grandes distribuidores están suministrando sistemas operativos para sus procesadores. Estos sistemas se suelen vender como parte de un juego de tarjetas o como una microcomputadora completa, aportando una ayuda extensa para el desarrollo de software de sistema. Otras compañías están empezando a suministrar software de sistema operativo. Los laboratorios Bell tienen la licencia del sistema operativo UNIX, que está escrito en lenguaje C y que puede instalarse en computadoras tipo PDP-11 o similares. Un vistazo a través de Electronics y otras revistas sobre electrónica revelará una serie de ofrecimientos para los procesadores de 16 bits. Debe considerarse el núcleo sistema operativo cuando se compre una microcomputadora. Tal vez no encontremos exactamente lo que necesitamos, pero sí un sistema que puede adecuarse a nuestras necesidades a un costo menor que la escritura de un sistema operativo completo.

1-5c Lenguajes Una de las decisiones más importantes en el diseño de un sistema de cómputo es la selección del lenguaje con el cual será desarrollado el software. La selección se turna decisiva conforme las microcomputadoras se vuelven más grandes y más intensivas en cuanto al software. Todos los vendedores de software cuentan con cierta clase de ensambladores para sus procesadores. Los lenguajes de alto nivel (BASIC, FORTRAN, Pascal) son más difíciles de adquirir, a pesar de que más y más fabricantes los están distribuyendo. Cierto número de firmas independientes de software están empezando a suministrar compiladores para diferentes CI. Los compiladores y los ensambladores se ofrecen en dos variedades: una de ellas corre en la máquina para la cual genera el código y la otra, el compilador cruzado, corre en otra computadora. Los compiladores y los ensambladores son grandes programas que requieren 16KB a 128KB de memoria, almacenamiento masivo (disco flexible o disco duro) y dispositivos de entrada/salida. Esto implica que, a menos que estemos construyendo básicamente una computadora de aplicación general, lo que deseamos es un compilador o ensamblador cruzado. Aun cuando instalemos estas herramientas en el sistema nuevo, probablemente desearemos hacer el desarrollo inicial en otra computadora.

1-6 ARQUITECTURA

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1-5d Aplicación

Un software de aplicación disponible en el comercio es otro aspecto que debe considerarse cuando se escoge un procesador. Existen programas para juegos por computadora, cálculos de ingeniería, contabilidad y casi para cualquier cosa que podamos imaginar. Si nuestro sistema procesador tiene por finalidad servir a distintos usos, deberemos verificar los paquetes de software disponibles. Con esto ahorraremos mucho tiempo y dinero en comparación con el desarrollo de esos paquetes por nuestra cuenta. 1-6 ARQUITECTURA

En la selección de un procesador, dado que el problema está definido, las diferencias más notorias estarán en la arquitectura. La aplicación (potencia, tamaño del circuito, etc.) y los niveles necesarios de funcionamiento exigen casi siempre cierta arquitectura o arquitecturas; y no se olvide que la selección de diferentes tipos de procesador afectará en gran medida al tiempo de diseño. Un procesador con una familia de CI de apoyo compatible representa una tarea de diseño relativamente sencilla en comparación con un procesador de rebanada de bits microprogramado. Recordemos esto cada vez que escojamos una arquitectura en particular. 1-6a Un solo CI

La reciente proliferación de microcomputadoras en un solo CI (chip) son una evidencia de su aceptación por la industria. Las hay en muy diversos tamaños, formas y potencias. Las aplicaciones de estos procesadores de todo en uno incluyen desde los controladores industriales hasta los procesadores esclavos locales. Las computadoras en un solo CI están fabricadas con una de las tres tecnologías más comúnmente utilizadas: CMOS, NMOS y PMOS. El proceso utilizado para crear una microcomputadora determinada no parece indicar ninguna categoría de velocidad, voltaje o potencia, pero la más rápida parece ser la NMOS y la más baja en consumo de potencia la CMOS, aunque conviene señalar que la tecnología CMOS ha hecho grandes avances en cuanto a la relación velocidad/potencia en los últimos años. La mayor parte de los procesadores son de 4 u 8 bits y están disponibles con diversas funciones. Un vistazo a las tablas comparativas muestra la disponibilidad de funciones que puedan llegar a satisfacer nuestras necesidades específicas. Aquí tenemos algunos ejemplos de lo que se puede conseguir: convertidores A/D, puertos serie/paralelo de E/S, UV EPROM, contadores, temporizadores, detectores de cruce por cero, manejadores de alta corriente, interfaz con visualizadores de dígitos, interfaz de interruptores de toque, posibilidad de expansión, RAM/ROM fuera del CI, procesamiento de señal analógica y, casi sin excepción el propio CI incluye reloj, RAM y ROM. Estos son algunos aspectos que se deben considerar. La ROM/RAM integrada hace bastante atractivos estos procesadores cuando el número de partes debe ser el

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mínimo. Recordemos que esta ROM debe programarse antes de que un diseñador pueda revisar un sistema. Una solución del problema ha sido diseñar una versión en UV EPROM de los micros más populares, lo que permite que se tenga un prototipo antes de que se solicite una versión con máscara. Si la flexibilidad es una necesidad, consideremos de alta prioridad la capacidad de expansión de memoria fuera del CI. El compromiso radica aquí entre un número mayor de componentes a cambio de menor trabajo de codificación a fin de comprimir cada byte, y las llamadas a subrutinas (si la pila se encuentra en RAM). Cuanto más alejada se encuentre nuestra aplicación de un controlador muy dedicado, más detenidamente deberemos analizar si una microcomputadora satisfará nuestras necesidades, aunque los microprocesadores son potentes computadoras con RAM/ROM en la propia tarjeta. 1-6b Pila interna/externa La velocidad y la flexibilidad son los aspectos de compromiso más importantes. Con una pila interna el tiempo de respuesta ante una interrupción o una llamada de subrutina será más corto que el de un procesador con pila externa. Sin embargo, situando la pila adentro en la RAM y no en ella, se limita la profundidad a la cual pueden anidarse las interrupciones o las subrutinas. Esto es evidente en lenguajes de alto nivel donde la programación estructurada por bloques utiliza mucho la pila. 1-6c Procesadores de rebanada de bits Los procesadores de rebanada de bits (bit-slice) son los más rápidos, los de mayor consumo de potencia y usualmente los más costosos de implantar. Estos procesadores de "hágalo usted mismo" son atractivos para aquéllos que no pueden encontrar un procesador que cumpla con sus necesidades. Su microprogramabilidad los hace flexibles para su aplicación en caso de instrucciones específicas. La velocidad de ejecución de estas instrucciones es mucho mayor que las de una rutina o las instrucciones de código en otros procesadores. Pero contra esta flexibilidad y velocidad está el factor de tiempo de diseño. Al seleccionar un microprocesador se supone que el procesador ejecutará correctamente los comandos que le presentemos. Con un procesador de rebanada de bits debemos localizar las fallas del "procesador" (ALU, secuenciador, etc.) y escribir un microcódigo que lo maneje. Esto no es una tarea fácil, pero bien vale la pena si así lo exige la aplicación. 1-6d Coprocesadores Los coprocesadores son por lo regular procesadores que han sido diseñados para coexistir junto con un procesador primario. Cuentan con muchas funciones: manejo de memoria, aritmética de punto flotante, procesadores de E/S, controladores de terminales y otras más. Son un gran amplificador para la potencia de procesamiento de un sistema. La principal consideración que debe tenerse en cuenta es que

1-6 ARQUITECTURA

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suelen ser interfaces para una misma familia; así, por ejemplo, las unidades de extensión de proceso de Zilog fueron diseñadas para funcionar en conjunto con el procesador Z8000 de Zilog. Las señales con las cuales se comunican entre sí el procesador principal y el coprocesador son muy delicadas. A pesar de que la unidad de manejo de memoria de Zilog (MMU) es en realidad una parte periférica, utiliza el hecho de que el Z8000 comunica primero a la salida las líneas de segmento de dirección un pulso de reloj completo antes que la dirección, lo que le da oportunidad a la unidad de manejo de memoria para calcular la dirección superior. Por otro lado, las unidades de extensión de proceso de Zilog son propiamente una extensión del propio procesador, de manera que no pueden ser utilizadas con otro procesador. El Z8000 tiene cierto número de instrucciones reservadas que las trata como NOP (no operación). Estas instrucciones son reconocidas por las unidades de extensión como sus instrucciones especiales (p. ej., multiplicación de punto flotante). Estos coprocesadores intensifican la potencia de un procesador principal, por lo cual tendremos que recordar siempre que deben ser compatibles con una misma familia. Si estamos considerando usar una configuración de computadora más grande y deseamos utilizar estas nuevas partes para aumentar la capacidad, deberemos primero consultar al fabricante respecto a su disponibilidad y su compatibilidad. 1-6e Multiprocesamiento

La mayor preocupación en un sistema multiprocesador es la propia interfaz del sistema. Los procesadores en un ambiente de multiprocesamiento necesitan ser capaces de comunicarse en una forma que evite la alteración de los datos en el sistema. En un sistema multiprocesador los procesadores actúan simultáneamente, lo que requiere sincronización de los procesadores. Una característica que deberá buscarse en un procesador que se emplee en el desarrollo de un sistema de este tipo es que posea una instrucción del tipo de prueba y establecimiento (test and set), es decir, un ciclo indivisible de lectura/escritura. Esto permite la integración de un semáforo (bandera que se emplea para permitir que un solo procesador entre a una sección crítica de datos o de código). Si esta función no está disponible como una instrucción en el procesador utilizado, deberá crearse a partir de hardware a nivel de sistema. Otra preocupación en un ambiente multiprocesador es el gran trabajo de desarrollo de software. El sistema operativo no será una tarea trivial y la rutina de verificación es una operación complicada que debe tratar de ejercitar los estados (que ahora incluyen combinaciones de estados de todos los procesadores en el sistema) de dos o más procesadores, a fin de asegurar la operación adecuada. 1-6f Periféricos para la solución de problemas

Las siguientes descripciones de los periféricos de las que disponen los diseñadores de sistemas basados en microprocesador son breves e incompletas. Ej capítulo 3

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MICROPROCESADORES

cubre en detalle estos circuitos y debe utilizarse como referencia en estos comentarios introductorios. E/S paralelo/serie Los CI disponibles para las funciones de E/S en serie y paralelo son muchos y muy variados, y su función es esencial para todos los sistemas, excepto para los más pequeños. El ACIA 6850 de Motorola y la USART 8251 de Intel son ejemplos de CI de E/S serie, mientras que el PÍA 6820 de Motorola y el PPI 8255 de Intel son ejemplos de CI de E/S paralelo. Estos circuitos son fáciles de interconectar con sus propias familias. Es posible emplear, digamos, un ACIA de Motorola con un producto Intel, pero debe tomarse en cuenta la temporización correcta. A menos que exista una causa excepcional (disponibilidad), se recomienda utilizar una misma familia. En esencia, lo que estos circuitos de E/S serie/paralelo hacen es permitir la conexión de dispositivos externos (teclados, terminales RS-232, etc.) con el procesador. Las partes de E/S contienen los buffers de control y del bus de datos (del tipo de tres estados), así como los seguros necesarios. La naturaleza programable de estos dispositivos permite una gran flexibilidad. La configuración funcional de los puertos de E/S está controlada por una palabra de control. Por medio de software es posible "reconfigurar" el modo de operación del dispositivo. Una vez definido el problema de diseño, la selección de la parte de E/S en serie o en paralelo no deberá ser un problema. Primero, se deben considerar las partes que hay de la misma familia del procesador: si la parte adecuada no está disponible, se deben considerar los CI periféricos de otras familias o marcas. Siempre debemos asegurarnos de que se cumpla la temporización entre el procesador y el periférico. Recientemente ha sido lanzado al mercado cierto número de procesadores de E/S inteligentes. Estos componentes liberan al procesador central del procesamiento de E/S, pero en cambio complican el sistema de E/S. Vale la pena investigar la posibilidad de utilizar estos nuevos componentes en vez de las partes más antiguas mencionadas antes. Este enfoque puede llegar a representar complejidad y costo adicionales, pero los beneficios que se obtienen en el funcionamiento del sistema pueden justificar tal elección. Contadores/temporizadores Otro tipo de familia de CI periféricos son los contadores y los temporizadores. Estos dispositivos pueden emplearse en muy diversas funciones, algunas de las cuales incluyen la sustitución de los ciclos de temporización en el software por medio de una interrupción de hardware generada con un circuito temporizador, un reloj de tiempo real, un contador de sucesos y una señal programable de temporización. Unidades de manejo de memoria (MMU) Las unidades de manejo de memoria suministran una traducción de la dirección de lógica a ñsica. También aportan funciones como la virtualización, el protector de escritura y la indicación de memoria no existente. La función principal de estos circuitos es suministrar a los sistemas de multiprogramación una manera fácil de comunicación entre espacios de memoria diferentes. Cada usuario en un sistema de multiprogramación presenta una di-

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rección lógica a la unidad de manejo de memoria. El sistema operativo, por su parte, necesita sólo correlacionar el contenido de la MMU que representa la dirección lógica del usuario con respecto a un espacio físico único. Los diseñadores de sistemas más grandes deben considerar estos nuevos dispositivos. Acceso directo a memoria (DMA) Un controlador de acceso directo a memoria es un dispositivo periférico programable que permite la transferencia de datos a alta velocidad de un punto de origen a un punto de destino. Esta transferencia puede ser de memoria a memoria, de memoria a un periférico, o cualquier combinación de dispositivos en el manejo de datos, todo esto sin la participación del procesador principal CPU, exceptuando la inicialización del controlador de DMA. En aplicaciones en las que existe un medio masivo de almacenamiento (disco flexible, disco duro, unidades de cinta, etc.), un controlador de DMA puede aumentar en forma notable la eficiencia del sistema. 1-6g Controladores de TRC, GPIB y RAM

Existen CI periféricos de propósito especial que realizan muchas funciones, entre las que se mencionaron antes. Cada dispositivo evitará un trabajo adicional del procesador, reduciendo al mínimo el número de componentes y el tiempo de diseño en un sistema que requiere tal función. También en este caso una consideración importante es el hecho de que las partes correspondan a la misma familia del procesador. 1-7 INTERFAZ DEL SISTEMA

Como se indicó antes en este capítulo, la interfaz del sistema (interconexión) será el factor que limite más el crecimiento de nuestro sistema. No es una consideración decisiva en cuanto a la selección del procesador, pero debe señalarse la importancia que tiene la interconexión del sistema en la vida de éste. Los circuitos de tipo discreto entre el procesador y el bus de datos del sistema permitirá casi siempre a un diseñador conectar prácticamente cualquier procesador con cualquier bus de datos. Esto no quiere decir que algunas combinaciones no representen un gran trabajo de diseño. Cuanto más similar en apariencia sea el bus del sistema con respecto al bus del procesador, más fácil será el trabajo de interconexión y sincronización. Por ello deberemos recordar los requisitos de nuestro procesador cuando estemos especificándolo; 1. Bus síncrono/asincrono 2. Memoria a) Estática/dinámica b) Reubicable c) RAM/ROM d) Virtual 3. Interrupciones

1-22 4.

MICROPROCESADORES Compatibilidad con multiprocesadores

1-8 AYUDAS PARA EL DESARROLLO 1-8a Emuladores

Un emulador es probablemente la herramienta de depuración de errores más poderosa de que dispone el diseñador de microcomputadoras. El "emulador" es, por regla general, un componente de un sistema de desarrollo de microprocesador más grande. Tiene un cable que se conecta directamente en el conector del microprocesador del circuito prototipo que se va a emular. El otro extremo del cable actúa como el procesador que se desea emular. Esto permite al usuario monitorear y controlar al procesador mejor que con cualquiera otra herramienta disponible. Cuando se estudie la selección de un procesador, conviene revisar también la posibilidad de contar con un emulador, pues ofrece gran ayuda en la depuración de errores en el hardware, en el software y en la integración del hardware con el software. Cuando se considere el alquiler o compra de un sistema de desarrollo con emulador, se deben tomar en cuenta los siguientes puntos: 1. ¿Puede el emulador funcionar a la velocidad total del procesador? 2. ¿Nos permitirá el emulador utilizar todas las interrupciones y trampas del pro cesador en forma transparente? 3. ¿Reserva el sistema de desarrollo cualquiera de los espacios direccionales del procesador para su uso propio o todo él está disponible para el programa del usuario? 4. ¿Cuenta el sistema de desarrollo con capacidad de análisis lógico para el rastreo de la ejecución del programa en tiempo real? De ser así, ¿puede configurarse o programarse con flexibilidad para puntos de ruptura, adquisición limitada, temporización y conteo? 5. ¿Es aceptable la interfaz global del usuario del sistema? 1-8b Software para depuración

Algunos compiladores son capaces de generar código adicional para facilitar la depuración de los programas de usuario. Estos compiladores se basan en el apoyo del sistema operativo de la computadora donde corre el programa. La capacidad del software para depurar son variadas, pero comúnmente pueden ser capaces de seguir el flujo de ejecución y mostrar los registros y la memoria. 1-8c Simulación

Es posible encontrar simuladores para varios microprocesadores en grandes computadoras, y pueden alquilarse a partir de una red de tiempo compartido. Un simulador permite la ejecución de un programa de microprocesador sin contar con el hardware del microprocesador. Las capacidades de depuración en el software son

1-9 LA COMPUTADORA DE UNA TARJETA Y LA CONSTRUCCIÓN DE UNA PROPIA

1-23

similares a la emulación, pero no puede haber interacción con el hardware, de manera que la emulación sólo se limita a la revisión del software. 1-9 LA COMPUTADORA DE UNA SOLA TARJETA Y LA CONSTRUCCIÓN D UNA PROPIA

Conforme aumenta la complejidad del procesador y de los circuitos de soporte asociados con él, se presenta con mayor frecuencia la decisión de seleccionar entre la construcción de una computadora o la compra de una computadora de una sola tarjeta. Las secciones siguientes tienen por objeto indicar un criterio para el examen de cada caso mientras se toma una decisión. 1-9a Experiencia interna

La experiencia es un factor muy importante. Si vamos a construir una tarjeta nueva, necesitamos personas con experiencia en el diseño del prototipo, de los circuitos impresos y en el montaje de los componentes, así como en la revisión final de la tarjeta. Los componentes necesitan comprarse y almacenarse. ¿Vamos a ensamblarlos nosotros mismos? ¿Contamos con técnicos experimentados que dejen las tarjetas funcionando correctamente? ¿Existe equipo disponible, como osciloscopios, analizadores lógicos y sistemas para desarrollo de prototipo? ¿De dónde se obtendrá todo el software de apoyo? ¿Alguien va a escribir un monitor interactivo? Si nuestra compañía es relativamente grande y cuenta con todos los grupos de apoyo necesarios para construir una computadora, podremos responder que sí a las preguntas anteriores, ¿pero cuántas computadoras vamos a fabricar? y ¿en cuánto tendremos que venderlas para recuperar la inversión del diseño? Las computadoras de una sola tarjeta (SBC) tienen sus limitaciones, que deben compararse con las metas de diseño. Si la computadora de una sola tarjeta es incompatible con nuestros requisitos, no tendremos entonces otra elección. También se aplican en este caso todas las otras secciones estudiadas previamente en este capítulo. ¿Qué es lo que el fabricante de las computadoras ofrece en el área de apoyo periférico (lo más común son tarjetas que se conectan en el mismo bus de datos del sistema), memoria, almacenamiento masivo, etc.? Si escogemos una SBC y su sistema como una computadora de tipo OEM (original equipment manufacturer) para satisfacer nuestras necesidades, no olvidemos que podremos diseñar una tarjeta que se conecte al sistema, si es que la función específica no es apoyada por la SBC. La decisión entre comprar una SBC o construirla no es fácil. El margen de ganancia será mayor en algo que construyamos nosotros mismos, pero el costo de diseño y desarrollo será mucho más elevado. Con una SBC el tiempo de diseño es corto, y usualmente se dispone de software operativo y de apoyo. Más y más productos están siendo introducidos en el mercado con computadoras del tipo OEM, es decir, computadoras que se venden parcialmente armadas que pueden ser adquiridas por otra compañía que las modifica, las termina de construir y las vende como si fueran parte de su propio equipo. Al mismo tiempo, las compañías están descubriendo el gran trabajo y costo que representa desarrollar sus

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MICROPROCESADORAS

propias computadoras. Algunas veces, las grandes cantidades y los requisitos específicos exigen que una computadora sea diseñada desde el principio, pero aun esto puede contratarse con proveedores. De manera que, como parte de la selección del procesador, la decisión entre si verdaderamente es necesario construir nuestra propia computadora o comprar una de tipo OEM o SBC resulta una opción que con frecuencia se pasa por alto. 1-10 DISEÑO DE UN CONTROLADOR DE LABORATORIO 1-10a El problema

En este ejemplo, supóngase que se tiene un laboratorio de control de calidad que desea obtener un gran volumen de datos sobre pruebas en forma semiautomática, procesarlos en forma rápida para tomar una decisión de continuar o no y después transferir resúmenes de la información a una computadora para su análisis posterior y para la formulación de informes de contabilidad. 1. El equipo de medición y prueba con el cual debe trabajarse, es en su mayor parte, compatible con el GPIB, salvo una pieza de equipo que requiere una interfaz en paralelo especial. 2. Los datos que deben manejarse son una combinación de número de punto fijo y flotante, con una precisión de 4 1/2 dígitos. 3. Hay aproximadamente 50000 operaciones de punto flotante necesarias para calcular los parámetros deseados de los datos recolectados. 4. Una vez que los datos se han tomado y procesado, serán alimentados en forma de pequeñas descargas no sucesivas a la computadora principal para efectuar análisis estadístico y contable. No conviene enviar directamente los datos cap tados por su volumen y por el tiempo de respuesta de la computadora principal. 5. El ambiente en el laboratorio es algo ruidoso, pero con el aislamiento adecuado no deberá haber problema. No hay limitaciones en cuanto a la potencia, y la temperatura ambiente es la temperatura normal de una habitación.

Procesador LSI 11/23

68000

Z-8000

Sistema operalivo

Propósito

RT-11 RSX-11M RSX-11S UNIX VERSADOS MSP-68000 UNIX IDRIS MTOS-68K IDRIS

General General Control de proceso General Control de tiempo real Control de proceso General General General y de proceso General

Compañía Digital Equipment Co.

Bell Labs Motorola Hemenway Assoc. Inc. Control Systems Inc. Whitesmiths'Ltd. Industrial Programming Inc. Whitesmiths Ltd.

1-10 DISEÑO DE UN CONTROLADOR DE LABORATORIO

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6. El sistema que se pretende construir se considera como un prototipo que puede llegar a expandirse a varias estaciones de prueba, ya sea construyendo unidades adicionales o mediante la expansión de las capacidades del prototipo. 1-10b El proceso de selección La interfaz de hardware El procesador se debe comunicar con el mundo exterior a través de un puerto GPIB, una interfaz paralela especial y dos puertos RS-232 (uno para la computadora principal y otro para la terminal). Por el momento, no se considera necesario contar con almacenamiento masivo local, aunque puede llegarse a desear en el futuro.

1-10c La interfaz de software Debido a la gran cantidad de cálculos con aritmética de punto flotante que deben realizarse, es muy conveniente tener un lenguaje de alto nivel con capacidad de punto flotante disponible para el desarrollo del software. Una computadora principal PDP-11 que corra el sistema operativo UNIX cuenta con compiladores cruzados tipo "C" para los procesadores Z-80, 6800, Z-8000, PDP-11 y el 68000. El desarrollo inicial del algoritmo de procesamiento numérico en la computadora indica que se requiere 30 kbites de código aproximadamente. Considerando otros 20 kbytes para un sistema operativo limitado de propósito general, estimamos una necesidad inmediata de por lo menos 50 kbytes de código en la versión original. Por ahora, el espacio de memoria de 64 KB de un Z-80 o del 6800 es probablemente adecuado; pero si la aplicación llegara a crecer, entonces tendríamos que servirnos de un sistema paginado o traslapado que posteriormente será más problemático. Por lo tanto, se debe dar preferencia a las máquinas con grandes espacios direccionables. No se espera que la versión inicial requiera almacenamiento masivo local. Esto permite un sistema operativo más sencillo, ya que no se requiere manejo de archivos; ¿pero qué implica acerca de la carga del sistema? ¿Se requerirá un sistema operativo en ROM? Si la computadora principal se puede comunicar sobre una línea de 4 800 bits por segundo, puede descargar datos a una velocidad aproximada de 480 bytes por segundo. Para descargar 64 kbytes de información con esta velocidad se necesitarían cerca de 138 s en una descarga continua, o bien, permitiendo pequeñas pausas, cerca de 3 min. Debido a que el sistema necesita ser arrancado (boot) normalmente una vez al día, no parece ser objetable. Sólo se requerirá un pequeño monitor de ROM para iniciar la descarga del sistema. Una de las principales consideraciones del sistema es la posibilidad de ampliarlo en el futuro. Por ejemplo, puede ampliarse en varias estaciones de prueba, y expandirse de manera que tenga su propio sistema operativo local. En este caso debemos considerar en el momento presente la posibilidad de tal expansión. Uno de los aspectos más importantes a considerar será el sistema operativo que se usará. Estudie la lista parcial de los sistemas operativos disponibles para diferentes procesadores que aparece en seguida.

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MICROPROCESADORES

1-10d La elección y sus motivos

Comunicaciones Las comunicaciones se harán sobre buses estándar GPIB y líneas serie RS-232. Las funciones del controlador de GPIB y de "habla-escucha" se pueden obtener en forma de CI, de manera que la carga de las comunicaciones no sugiere ningún tipo de procesador en particular, salvo que sea capaz de ínterconectarse con uno de estos CI. Cantidad El alcance inmediato es la evaluación de un prototipo, con una posible producción de 10 a 20 unidades. Por lo tanto, no existe mucha vigencia por mantener los costos de los componentes en un mínimo. Por su parte, los costos de ingeniería podrían exceder con facilidad los costos de los componentes, de manera que deberán hacerse compromisos en favor de un desarrollo más rápido y sencillo en lugar de costos bajos de partes. Esto significará que la compra de una SBC representa una mejor elección que un diseño original, siempre y cuando la SBC cumpla con todos los demás requisitos. Espacio direccionable El tamaño de nuestra aplicación, la falta de almacenamiento masivo y el deseo de evitar esquemas paginados sugieren que debemos emplear una de las máquinas con espacio direccionable grande. Precisión de cálculo Nuestra precisión es de 4 ¼ dígitos decimales, o de una parte entre 20 000. Para manejar tal número en un registro, se requerirá que sea por lo menos de 16 bits, de manera que un procesador de 16 bits parece ser adecuado. Se podría utilizar un Z-80, pero a cambio de una reducción de la velocidad. Tiempo real Nuestra aplicación no es del tipo de "tiempo real" en el sentido de que deba mantenerse con algo más allá de su control, pero la velocidad es importante a todo lo largo de la prueba. Una vez más, la elección deberá recaer sobre uno de los procesadores de alto rendimiento. Hasta este momento hemos reducido nuestra elección a uno de los siguientes procesadores: LSI 11/23 68000 Z-8000 8086 Cualquiera de ellos puede hacer este trabajo. Una alternativa sería consultar las tablas comparativas que se publican. Por ejemplo, el ejemplar del 1 de abril de 1981 de Electronic Design proporciona un conjunto de puntos de comparación para estos cuatro procesadores. Las pruebas son algo ambiguas, pero parecen mostrar una ligera ventaja global en favor del 68000; no obstante, el 8086 y el Z-8000 ganan algunas de las pruebas. El 11/23 tiene la ventaja de ser compatible con el software de las computadoras DEC en caso de una expansión futura, pero es uno de los procesadores de 16 bits más lentos.

1-11 DISEÑO DE LA INTERFAZ DEL TECLADO

1-27

Hasta este punto, los factores locales, tales como las herramientas disponibles, la familiaridad del diseñador con los diferentes procesadores, preferencia personal de arquitectura y, por último pero no menos importante, el precio serán el factor decisivo. Hemos escogido, para los fines didácticos de este ejemplo, el sistema 68000 VERSA módulo como el alma de nuestro sistema de laboratorio. Este sistema utiliza la tarjeta de CPU con dos puertos serie, cuatro puertos paralelo, 64 kbytes de memoria, temporizador y hardware de control asociado. Una tarjeta adicional será diseñada especialmente para alojar la interfaz GPIB, ya que al momento de escribir estas líneas ninguno de los paquetes de computadoras de una sola tarjeta cuentan con una tarjeta de GPIB.

1-11 DISEÑO DE LA INTERFAZ DEL TECLADO 1-11a Definición del problema En este segundo ejemplo consideraremos una interfaz para un teclado. Tenemos un procesador Z-80 que se emplea en un sistema procesador de palabras. Las E/S están compuestas por un disco flexible, una impresora y una terminal/teclado. El teclado que vamos a utilizar (ya empleado en otro producto) tiene una interfaz serie. La tarea de rastrear el teclado añadiría una carga innecesaria en el procesador. Para evitar este problema usaremos una microcomputadora que haga esto, mientras que los caracteres en ASCII del teclado serán presentados al Z-80. 1.

2.

3.

4.

5. 6. 7.

La interfaz del teclado es tal que se envían pulsos al teclado desde el controlador y, después de cada pulso, se lee una línea de datos en serie para comprobar si se ha oprimido esa tecla; es decir, después del tetragésimo pulso enviado al teclado, la línea de datos serie indicará si se ha oprimido una tecla en particular. Se necesita almacenar una tabla para permitir una búsqueda basada en la cuenta de los pulsos de reloj cuando se envía un valor verdadero en la línea serie. El algoritmo para la eliminación del rebote en la tecla necesita ser realizado por software. Otras funciones, como la repetición automática (auto repeat) y las teclas de función, son deseables pero no necesarias. También debe realizarse el reconocimiento de la opresión múltiple de varias teclas, ya que éste es un sis tema procesador de palabras. Es similar la interfaz con los seis diodos emisores de luz (LED) en el teclado. Una línea de datos serie, junto con una línea de reloj, se utilizan para sincroni zar los datos en un registro de corrimiento. Una vez en el registro (ocho pulsos de reloj), los datos pasan a un seguro tipo D y posteriormente a una constante RC. En este momento los datos encienden a los diodos emisores de luz. El software del procesador estará escrito en ensamblador, ya que pensamos que será aproximadamente en I kbyte. Será un producto de volumen medio, entre 500 y 1 000 unidades por año. La potencia plantea un problema, pero el sistema completo deberá pasar las

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8.

9.

MICROPROCESADORAS

normas de la compañía en cuanto a la estática, la interferencia electromagnética y la temperatura. No existen requisitos ambientales específicos, excepto una prueba de humedad. Este procesador del teclado necesitará comunicarse con el Z-80. El método está aún s i n definir, pero las posibilidades son un puerto E/S compartido, RAM compartida (puerto doble), etc. Considerando la posibilidad de añadir una tecla de función, debe ser fácil agre gar RAM adicional al procesador para conseguir esto. La estructura del soft ware debe diseñarse con la idea de añadir después una tecla de función.

1-11b El proceso de selección La interfaz de hardware El procesador del teclado estará conectado al bus de datos del sistema, lo que permitirá al Z-80 leer los caracteres en ASCII, generados por el teclado en un puerto de E/S. 1-11c La interfaz de software Debido a que las tareas de rastreo del teclado y de la supresión del rebote en las teclas son relativamente sencillas, no es de gran importancia el conjunto de instrucciones del procesador. Conviene tener una versión en EPROM del CI para el desarrollo del prototipo. Tenemos un sistema de desarrollo de microcomputador que apoya muchas de las microcomputadoras de un solo CI. El procesador escogido deberá estar apoyado en este sistema para el desarrollo del software y para la depuración en el prototipo. 1-11d La elección y sus motivos 1.

2.

Necesidades del procesador a) Una E/S direccionable por bit para mandar los pulsos de reloj al teclado y para leer los datos de la tecla oprimida b) Si es posible, una interfaz de bus tipo Z-80/8080 c) Versión EPROM del CI para el prototipo d) 1 KB de ROM y un mínimo de 64 bytes de RAM e) Apuntador de pila en la RAM para ayudar en el código estructurado /) Expansión para RAM/ROM externa a fin de cubrir necesidades futuras Selecciones posibles a) 8048/8748: contienen temporizador, 64 bytes de RAM, 1 KB de ROM/ EPROM, terminales para entrada serie y 27 líneas de E/S. b) 8041/8741: un periférico de computadora de propósito especial. Contiene interfaz asincrona maestro-esclavo, 1 KB de ROM, 64 bytes de RAM, temporizador, 18 líneas de E/S programables y dos entradas serie. c) 6801/68701: contiene 2 KB de ROM, 128 bytes de RAM, 3 temporizadores, 31 líneas de E/S, expandible a 65 kbytes de memoria, pero es difícil de conectar al bus de datos de un Z-80.

1-11 DISEÑO DE LA INTERFAZ DEL TECLADO

1-29

d) Consultando las tablas de selección podremos observar que existen muchos más CI que tal vez podrían realizar este trabajo como los tres anteriores. Estos tres están apoyados por nuestro sistema de desarrollo y se utilizan sólo como comparación en este ejemplo. ¿Qué procesador? Nuestra elección es el 8041/8741 (que se muestra en la figura 1-4) debido a su particular interfaz maestro-esclavo. Con el 8041 como el procesador del teclado, el número de componentes es de apenas CI, utilizando el circuito de la figura 1-5. El 8041 se conecta a un Z-80 como si fuera un CI periférico, según se ve en la figura 1-6, pero es también una microcomputadora completa. Con sus líneas de E/S y su temporizador se ajusta perfectamente a la aplicación. El 8041 se hará cargo del teclado con cuatro líneas de E/S y una sola línea serie de entrada. Cuando un carácter necesita ser enviado al procesador del sistema (Z-80), otra línea de E/S se utiliza para ocasionar una interrupción en el Z-80. A pesar de que el 8041 no puede expanderse con RAM/ROM externas, se decidió que el propio procesador del sistema sea el que se encargue de manejar la tecla de función. El reducido número de partes y el costo de manufactura son factores importantes que afectan a esta elección, junto con la facilidad de depuración y los requisitos de interconexión. Cualquiera de las otras microcomputadoras que se mencionan o que aparecen en las tablas requerirían circuitos adicionales para establecer la comunicación entre el procesador del sistema y el del teclado. Con los circuitos dentro del 8041, la interfaz es mínima (Fig. 1-7). El apoyo del sistema de desarrollo es otra razón por la cual se debe escoger uno de los tres procesadores listados antes. Nuestra experiencia nos ha demostrado que un paquete con emulador/ensamblador/depurador que esté contenido en un sis-

Figura 1-4 El 8041, microcomputadora en un solo CI.

Figura 1-5 Nueva interfaz para aligerar el trabajo del sistema (Z-80).

Figura 1-6 La interfaz 8041/8741 para el bus del sistema del 8080.

Figura 1-7 El 8041 como un procesador de teclado, donde el teclado es del tipo de rastreo serie.

1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

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tema de desarrollo reduce mucho el tiempo de diseño y depuración en trabajos de hardware/firmware como éste. 1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS*

Las tablas que se presentan en las páginas siguientes proporcionan información sobre los lenguajes en las microcomputadoras, sobre los microprocesadores para todo uso, los procesadores de todo en uno, y las familias de rebanada de bits, así como un directorio de los microprocesadores por fabricante.

* Las tablas 1-2 a 1-6 han sido impresas con autorización de Electronic Design, Vol. 28, No. 24, november 22, 1979; copyright Hayden Publishing Co., Inc., 1980.

1-34

MICROPROCESADORES Tabla 1-2 Lista de los lenguajes de microcomputadora

•A = Ensamblador; C = Cobol; F = Fortran, M = Lenguaje máquina, Mac = Macro Ensamblador, P = Pascal N/A Any = cualq. Yes = Si None = ninguno

1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

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MICROPROCESADORES

Tabla 1-3 Microprocesadores de propósito general

1 Tiene buses de 8 bits externas y buses internos de 16 bits. 2. Con reloj máximo. 3 Excepto líneas de reloj, 4, Serán suficientes los circuitos TTL o CMOS estandar 5. Gama en bytes. 6. También apuntador de marco. 7. Operaciones de doble precisión de 16 bits disponibles. 8 Búsqueda de string. 9 Reloj internamente dividido por 4 o por 6 según la instrucción. 10. No aplicable. 11. Sólo 9980.

1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

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Tabla 1-4 Procesadores de todo en uno

1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

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MICROPROCESADORES

TABLA 1-4 [Continuación)

1 No aplicable.

2. Externamente 8 bits, internamente 16

3 Definido por el usuario.

? No está disponible

1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

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Tabla 1-5 Familias de rebanada de bits

Tabla 1-6 Directorio de microprocesadores por fabricante Fabricante AEG Telefunken Advanced Micro Devices American Microsystems Data General EFCIS EMM Semiconductor Fairchild Semiconductor Ferranti Ltd. Fujitsu General Instrument Harris Semiconductor Hitachi Ltd. Hughes, Semi Div. Intel

Intersil ITT Semi Mitel Semiconductor MOS Technology Mostek Motorola

National Semiconductor

Modelos de procesadores fabricados Series 8000 2900, 2903, 29H6, Z8000,* 8048,* 8080A,* 8085* S2000, S215O, S2200, S2400, 6800,* 6802/8,* 6809,* 9900,* 9980/81,* 9985* mN601, mN602 MC68000 R6500/1,* CP1600/10,* PICI645, 50, 55, 70* Macrologic (9405), F1OO22O (ECL), 9440, 9445, 3850, 38E70, 3878, 2900,* 3870,* 6800,* 6802* F100-L 6800,* 6802,* 6809* CP1600, CP1610, PICI645, PICI650, PIC1655, PIC1670 6100* HMCS42, HMCS43/43C, HMCS44, HMCS45 1802 3000, 4004/4040, 8008, 8021, 8022, 8035, 8039, 8041, 8048, 8049, 8080A, 8085A, 8086. 8088, 8089, 2920 6100, 87C41,+ 87C48,+ IM80C41.+ IM80C48+ 7150, 1600* 6802 (CMOS versión) 6502, 6503, 6504, 6505, 6506, 6507, 6512, 6513, 6514, 6515 3870, 3872, 3874, 3876, 3850,* 8086,* Z80* 6800, 6801/701, 6802, 6803, 6805/705, 6808, 6809, 68000, 146805, 14500, 10800, 2900,* 3850.* 3870,* COP402, 402M, 404L, 410L, 411L, 420, 420L, 420C. 421, 421L, 421C, 440, 444L, IMP-4, IMP8, IMP-16, INS8060, INS8900, INS8070,

* Fuente alterna del producto (equivalente). + Funcionalmente equivalente pero con distinta tecnología.

1-12 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

TABLA 1-6 (Continuación) Fabricante National Semiconductor (cont'd) NEC Microcomputers Panafacom Panasonic (Matsushita) Philips RCA Raytheon Rockwell International SGS-ATES Sharp Siemens Signetics Solid State Scientific Synertek Texas Instruments Thomson CSF/Sescosem Toshiba Western Digital Zilog

Modelos de procesadores fabricados INS8072, INS8040, INS8050, NS16008, NS16032, NSC800, 29103, 8035,* 8039,* 8048,* 8049,* 8O80A,* 2900* μPD555, 556, 548, 546, 553, 650, 547, 547L, 552, 651, 550, 554, 652, 551, 8048,* 8080A,* 8085A,* MN1600 MN1498, 1499, 1499A, 1599, 1403, 1404, 1405, 1430, 1432, 1435, 1450, 1453, 1454, 1455, 1542, 1544, 1562, 1564 8080A* CDP1802, 1804 2900* PPS-4, 4/2, MM77/77L, 78/78L, 76, 76/C, 76/E, 76/L, 76/EL 75, R6500/1, 6502,* 6503,* 6504,* 6505,* 6506,* 6507,* 6512,* 6513,* 6514,* 6515,* PPS-8, 8/2, MC68000* Series 8000* SM-4, SM-5, Z80A,* Z8001,* Z8002* 8080A,* 8085A,* 8086* 8 x 300, 2650A, 8021,* 8035,* 8048,* 8080A,* 8085A,* 9405,* 34705* 1802* Z8,* 6502,* 6503,* 6504,* 6505,* 6506,* 6512,* 6513,* 6514,* 6515,* 74S481, SBP0400A/0410A, TMS-1000, 1000C, 1100, 1018, 1022, 1117, 1121, 1400, 1600, 1070, 1270, 1170, 1370, 1470, 1670, TMS/ SBP9900, 9980/81, 9985, 9940, 8080A* 2900,* 6800,* 6802,* 6809* T3190, 3444, 3472 1872, MCP1600, Pascal Microengine, COP4020,* 4200* Z8, Z80A, Z8001, Z8002

1-43

1-44

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BIBLIOGRAFÍA Beizer, G.: Micro-Analysis of Computer System Performance, Van Nostrand-Reinhold Co., 1978. Blakeslee, T. R.: Digital Design with Standard MSI and LSI, Wiley, 1975. Intel: MCS-48 Microcomputer User's Manual, Intel Corp., 1978. Intel: UPI-41 User's Manual; Intel Corp., 1978. Madnik, S. E., and J. J. Donovan: Operating Systems, McGraw-Hill, 1974. Mano, M. M.: Computer Logic Design, Prentice-Hall, 1972. McNamara, J. E.: Technical Aspects of Data Communication, Digital Equipment Corp., 1978. Motorola: "M68000 Family" (M68KFM), Motorola Inc., 1980. Motorola: MC68000 User's Manual(MC68000UM(AD2)), Motorola Inc., 1980. Peatman, J. B.: Digital Hardware Design, McGraw-Hill, 1980. Peterson, W. W.: Introduction to Programming Languages, Prentice-Hall, 1974. Smith, C. L.: Digital Computer Process Control, Intext Educational Publishers, 1972. Stone, H. S.: Introduction to Computer Architecture, Science Research Associates, 1975. Taub, H., and D. Schilling: Digital IntegratedElectronics, McGraw-Hill, 1977. Wester, J. W.: Software Design for Microprocessors, Texas Instruments Learning Center, 1976.

Capítulo

2

OPTOELECTRÓNICA

WilliamM. Otsuka Presidente Optomicronix Inc. Cupertino, Calif.

Eric G. Breeze Earl V. Colé Atari Corp. Sunnyvale, Calif.

Los autores trabajaban en la División de Optoelectrónica de la General Instrument's (Palo Alto, Calif.) cuando escribieron este capítulo.

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-1 a Teoría introductoria Fuentes luminosas Las fuentes luminosas hechas por el hombre para utilizarse en la iluminación y en equipo diverso pueden clasificarse en lámparas de filamento incandescente, en lámparas de tipo fluorescente, en lámparas de vapor o de gas neón. La energía luminosa producida por estas lámparas abarca una banda ancha del espectro de frecuencia, la mayor parte de la cual se encuentra fuera de la porción visible al ojo humano. Durante la década anterior, los avances en la tecnología de los semiconductores han dado por resultado una nueva categoría de fuente luminosa, los llamados LED (en inglés light-emitting diodes, o diodos emisores de luz). Estos componentes del estado sólido producen luz de espectro muy angosto (véase Fig. 2-1). La tabla 2-1 es una lista de las unidades de medición empleadas en el campo de la optoelectrónica para definir a la longitud de onda k. La unidad más común resulta ser el nanómetro (nm). Teoría de conducción De acuerdo con la teoría de conducción de la electrónica de estado sólido, la energía en forma de fotones (luz) y fonones (calor) es radiada cada vez que los huecos o electrones inyectados se recombinan con un

2-2

OPTOELECTRÓNICA

Tabla 2-1 Unidades de medida de longitudes de onda Nombre de la unidad Miera

Símbolo μ o μm

Valor en metros 1 x 10-6

Nanómetro Angstrom

nm Å

1 x 10-9 1 x 10-10

Equivalencias 1 μm = 1000 nm 1 μm = 10,000 Å 1 nm = 10 Å 1 Å = 0.1 nm

portador del tipo opuesto, durante el flujo de una corriente a través de una unión pn. La física cuántica establece que en los sólidos cristalinos los electrones sólo pueden alcanzar ciertos niveles de energía, y define la banda de energía como la separación que existe entre el tope de la banda de valencia y la base de la banda de conducción. Esta banda de energía es una característica propia de todo semiconductor; la magnitud de la banda de energía (en electronvolts, eV) determina la longitud de onda de la luz emitida. Entre los diferentes materiales semiconductores adecuados para la fabricación de diodos emisores de luz, los fabricantes han escogido el arseniuro de galio (GaAs), el fosfato de galio (GaP) y los compuestos de GaAsP por las longitudes de onda que generan, su eficiencia de conversión y su facilidad para formar donadores o aceptadores (dopping). Curvas características de un LED A pesar de que el color de la luz, o sea su longitud de onda, está determinado por el material utilizado, no ocurre así con la cantidad de luz emitida, que está controlada por el circuito de excitación y aumenta considerablemente conforme lo hace la cantidad de la corriente. La figura 2-2 representa la corriente de polarización contra el voltaje en el LED para diferentes

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-3

Figura 2-2 Corriente de polarización directa en función del voltaje de polarización directa.

materiales. La posición de cada uno de los puntos de inflexión de las curvas está Figura 2-3 Gráficas de intensidad lumidirectamente relacionada con la banda de nosa producida en función de la densienergía. El punto de inflexión para la curva dad de corriente. LPE se refiere a un prodel LED rojo es el que tiene lugar al menor ceso epitaxial de fase líquida; VPE se refievoltaje. En esta figura la resistencia dinámica re a un proceso epitaxial de fase gaseosa (de vapor). del LED rojo es de 1 a 2 Ω, y para materiales de longitud de onda más corta fluctúa entre 7 y 15 Ω. Conforme el valor de la corriente aumenta a través de la unión pn, más electrones y huecos serán inyectados a la banda prohibida. Su movimiento ocasiona un efecto secundario que aumenta el número de portadores disponibles para la recombinación y por ello eleva la eficiencia del proceso de emisión. La figura 2-3 muestra gráficas de la luz emitida en función de la corriente de polarización en el diodo para diferentes materiales. Nótese que el GaP rojo produce luz a bajas densidades de corriente, pero asimismo se aproxima a la saturación en un valor de densidad de corriente relativamente bajo comparado con el de los otros materiales.

Circuitos de excitación para emisión de alta eficiencia En las pendientes de las curvas de GaAsP en la figura 2-3 se puede apreciar que la duplicación de la corriente de excitación hace que aumente al doble la intensidad de la luz emitida, lo cual demuestra que la eficiencia de estos diodos emisores de luz mejora con corrientes de polarización mayores, y sugiere que una corriente pulsante dará en promedio mayor intensidad luminosa que una corriente constante. Un ejemplo numérico, utilizando la forma de onda de corriente pulsante de la figura 2-4a y la curva de un GaAsP rojo, demuestra esta ganancia en eficiencia. Mientras que una corriente constante de 10 mA produjo una intensidad luminosa de 0.7 mlm, la luz pulsada tiene una intensidad promedio de 2.0 mlm (un 10% de 20 mlm) aproximadamente, como se muestra en la figura 2-4b. Cuando se trabaja con puntas de corriente ele-

2-4

OPTOELECTRÓNICA

Factor de servicio - '1^2

Figura 2-4 Formas de onda: (a) de la corriente de excitación, (b) de la salida luminosa.

vadas, la amplitud y el ancho del pulso afectarán la temperatura de la unión pn. Estos efectos se analizan en el inciso siguiente. No se apreciará ningún tipo de parpadeo o intermitencia en la emisión del LED, siempre y cuando la frecuencia de los pulsos de corriente sea mucho mayor que 30 Hz. Efectos de la temperatura La caída de voltaje en las terminales de un LED disminuirá conforme aumente la temperatura, debiéndose anticipar un factor de — 1.3 a —2.5 mV/°C. Asimismo, la longitud de onda pico de emisión se desplazará hacia arriba conforme aumente la temperatura en aproximadamente 0.2 mm/°C o menos, según el material. En igual forma, los LED tienden a emitir menor cantidad de luz con un aumento de temperatura a razón del 1%/°C. Tiempo de vida Debido a que son dispositivos de estado sólido, puede esperarse que el tiempo de vida de un LED exceda al del equipo en el cual se encuentra instalado. Sin embargo, la difusión extremadamente lenta de las partículas extrañas en el compuesto semiconductor cristalino, así como otra serie de mecanismos aún no comprendidos del todo, ocasionan la disminución de la intensidad luminosa con el paso del tiempo. En las curvas de las pruebas del tiempo de vida, mostradas en las figuras 2-5 y 2-6, se puede ver que una caída de intensidad es más grande con corrientes elevadas, pero aún así es inferior al 10% después de 1 000 horas de operación continua.

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

Figura 2-5 Curvas de pruebas de vida sobre la muestra A.

2-5

Figura 2-6 Curvas de pruebas de vida sobre la muestra B.

El tiempo de vida de un LED se define normalmente como el tiempo en el cual la luz emitida disminuye en 50% de su valor original. Para los LED de luz visible, los tiempos de vida suelen ser de 100000 horas (más de 11 años) en condiciones normales de operación.iLa cantidad de degradación es afectada también por el tipo de corriente de operación: disminuyéndola se reduce la degradación y se prolonga la vida útil. Limitación de corriente En las curvas de I F contra V F de la figura 2-2 se puede apreciar que después que se alcanza el punto de inflexión, el valor de IF crece rápidamente con pequeños aumentos adicionales del voltaje VF- Un resistor deberá ser añadido en serie con el LED, como se muestra en la figura 2-7, para proporcionar una limitación a la corriente, a fin de que el LED se mantenga operando hasta cierto nivel específico de corriente. El valor del resistor se puede obtener de la siguiente ecuación:

donde VCc es el voltaje de alimentación. La ecuación 2-1 es válida para todas las aplicaciones de los LED: indicadores, iluminadores, gráficas de barras, visualizadores alfanuméricos u optoacopladores. Si se conectan varios LED en paralelo (a través de una sola resistencia en serie) a una misma fuente de alimentación, el que tenga el menor V F "absorberá" la mayor parte de la corriente, lo cual da por resultado que su intensidad luminosa sea notablemente superior a la del resto de los LED. Para evitar esto, cada LED debe tener su propia resistencia serie limitadora de corriente. Como regla práctica, una intensidad luminosa de apenas 4 o 5 mcd es suficiente para lograr una visibilidad adecuada dentro de un ambiente brillante con 100 fc de

2-6

OPTOELECTRÓNICA

0

10

20

30

40

50

1.4

Corriente directa IF en mA

Figura 2-8 Intensidad luminosa en fun-

ción de /, para el MV5752.

1.8

2.2

2.6

3.0

Volta|e en polarización directa VF en V

Figura 2-9 IF, en función de VF para

elMV5752.

iluminación. Para los LED rojos de alta eficiencia, la 1F requerida suele ser de 10 mA y para otros colores de unos 20 mA. Ejemplo 2-1 Cálculo de la polarización de un LED Un LED rojo tipo MV5752 se alimenta con +5 V y debe producir una intensidad luminosa de 15 mcd. Determine el valor del resistor limitador de corriente. Solución Las figuras 2-8 y 2-9 muestran las curvas características de este LED. A partir de estas gráficas encontramos que una IF de 10 mA es necesaria para producir una luminosidad de 15 mcd y que a este valor de h se tiene una VFde 1.8 V. Calculando con estos valores tenemos que

El valor comercial más cercano será de 330 Ω (a 1/8 de watt). 2-1 b Glosario Angstrom (símbolo Å): Unidad de longitud igual a 10 -10 m, empleada para expresar la longitud de onda de la luz. Ángulo de visión viewing angle: En el plano formado entre el observador y la fuente de luz, es el ángulo entre el ojo del observador y el eje principal (eje de mayor intensidad luminosa) de la fuente de luz. Ánodo anode: Terminal de un dispositivo que normalmente se polariza con un voltaje positivo (con respecto a la otra terminal, denominada cátodo).

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-7

Ánodo común common anode: Método de conectar las terminales de varios dispositivos para que todos los ánodos se conecten juntos. Anunciador annunciator. Tipo de visualizador de punto móvil utilizado para indicar información. Un ejemplo común de este tipo de visualizador es el que se encuentra en los ascensores para indicar los pisos. ASCII: Abreviatura de American Standard Code for Information Interchange, un código binario que puede representar letras, números, signos de puntuación y símbolos especiales, a la vez que ciertos caracteres de control (como cambio de línea, regreso del carro, etc.). La representación completa de este código requiere siete bits binarios para activar un conjunto de 128 caracteres que incluye letras mayúsculas y minúsculas. Con un código de sólo 6 bits, es posible instrumentar un subconjunto de 64 caracteres en el cual se tengan únicamente mayúsculas. Banda de energía bandgap: En la teoría cuántica del estado sólido, es la diferencia de energía (usualmente expresada en electronvolts, eV) entre dos bandas permisibles de electrones orbitantes. BCD decimal codificado en binario binary coded decimal: Método para representar los números del 0 al 9 por medio de cuatro bits binarios. Algunas veces se le suele denominar código 8-4-2-1, ya que el bit situado más a la izquierda posee una ponderación de 8, el siguiente de 4 y así sucesivamente. Los equivalentes binarios del decimal diez (1010) hasta el decimal quince (1111) no están permitidos en este código. Bisel bezei. Marco mecánico o anillo que rodea (y algunas veces soporta) un dispositivo o visualizador optoelectrónico. Borrado blanking: Técnica de diseño por medio de la cual se mantiene en "blanco" (apagado, oscuro) un visualizador durante determinado tiempo. Brillantez brightneas: Véase Luminancia. Brillantez fotométrica photometric brightness: Veáse Luminancia. Bus: Trayectoria común de conducción o conjunto de trayectorias paralelas para la transmisión de señales (p. ej., bus de datos) o energía (p. ej., bus de alimentación). En general, las señales se envían por uno de los buses (una a la vez) de cualquiera de las diversas fuentes y son recogidas del bus por uno o varios receptores (algunas veces simultáneamente). En los sistemas electrónicos modernos, especialmente en los sistemas a base de microprocesador, la dirección de flujo de la señal en el bus puede ser unidireccional (una sola dirección) o bidireccional (en una determinada dirección durante cierto tiempo y en la opuesta en otro lapso). Candela candela: Unidad de medición de la intensidad luminosa. Se define como un lumen de flujo radiado a través de un ángulo sólido unitario (estereorradián). Cátodo cathode: Terminal de un dispositivo que normalmente está polarizada en forma negativa (con respecto a la otra terminal llamada ánodo). Código binario binary code: Código que representa todos los números en términos de dos símbolos 0 y 1. Por ejemplo, los primeros cuatro números, del 0 al 3, se representarían en código binario como 0000, 0001, 0010, 0011.

2-8

OPTOELECTRÓNICA

Compuesto ternario ternary compound: Cualquier compuesto químico a base de tres elementos. Corriente de luz light current: (Véase también corriente de oscuridad). Corriente que circula en un dispositivo fotoconductor en respuesta a los fotones que inciden sobre él. Corriente oscura dark current: Corriente que circula a través de un dispositivo fotoconductor en ausencia total de luz. Cristal líquido liquid crystal: Fluido orgánico cuyas propiedades de transmisión de la luz pueden alterarse desde la transparencia hasta la absorción por medio de la aplicación de un campo eléctrico. Cursor cursor. Nombre dado al indicador que apunta o especifica una posición determinada. En las pantallas CRT suele ser un pequeño guión o un asterisco intermitente. Curva CIÉ CIÉ curve: Curva que representa la respuesta en frecuencia del ojo humano a la luz de diferentes colores. El nombre de la curva se deriva de las siglas de la organización que la estableció en 1931: Comission Internationale de l'Eclairage. Darlington: Método de conexión entre dos o más transistores para obtener altas ganancias de corriente. El emisor de la primera etapa se conecta directamente a la base de la siguiente etapa y los colectores se unen entre sí. Detector detector. Cualquier dispositivo que detecte o perciba un cambio en el valor de alguna propiedad física: por ejemplo, la intensidad luminosa. Distribución espacial spatial distribution: Véase Patrón de radiación. Distribución espectral spectral distribution: Para una fuente radiante, representación gráfica del contenido de energía de radiación contra la longitud de onda. "Dopado" doping: Adición de un elemento a un material semiconductor para lograr una característica determinada, como podría ser obtener un material tipo p o tipo n. Electrocrómico electrochromic: Visualizador fabricado a partir de sólidos aisladores orgánicos o inorgánicos, los cuales cambian de color al estar sometidos a cargas eléctricas de diferente polaridad. Electroluminiscencia electroluminescence: Proceso de emisión de luz que no se debe exclusivamente a efectos de temperatura y que resulta de la aplicación de un campo eléctrico a algún material, generalmente un sólido. Emisión espectral pico peak spectral emission: Longitud de onda de mayor contenido de energía en el espectro total de emisión de una fuente radiante. Emisor1 emitter. En un transistor, región de la cual se extraen portadores minoritarios para inyectarse en la región de base. Emisor2 emitter: Fuente de radiación de ondas electromagnéticas en el espectro visible o infrarrojo. Emitancia emittance: Potencia radiada por unidad de área de una superficie radiadora. Estereorradián steradian: Unidad de ángulo sólido, p. ej., el ángulo sólido que en la superficie de una esfera tiene un área igual al radio de la esfera al cuadrado. Estereorradiancia radiant sterance: Véase Radiancia.

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-9

Factor de servicio dutylaycle: Para un dispositivo que opere en forma intermitente es la relación entre el tiempo de encendido o de trabajo y el tiempo total. Factores humanos human factors: Características de los sistemas visualizadores que están relacionados con el observador (como distancia de observación, ángulo de visión, tamaño de carácter, brillantez, color, contraste, forma, definición, etc.). Firmware: Instrucciones para un programa de computadora que están permanentemente almacenadas dentro de la computadora (usualmente en ROM). Las instrucciones en firmware se distinguen de las instrucciones en software en que estas últimas deben ser alimentadas a la computadora en forma separada y del exterior. Flujo total radiado total radiatedflux: Luz emitida por una fuente medida en lúmenes (véase Lumen). Fotoacoplador photocoupler: Véase Optoacoplador. Fotoconductor photoconductor. Cualquier dispositivo conductor cuya corriente de salida varíe en forma proporcional a la cantidad de fotones que incidan en él. Fotodarlington photodarlington: Fotodetector cuya base son dos fototransistores conectados en configuración Darlington. Fotodetector photodetector. Parte de un dispositivo fotoconductor que recibe los fotones incidentes (o generados internamente por él en el caso de algunos optoacopladores). Fotodiodo photodiode: Dispositivo fotoconductor compuesto por un diodo con una región sensible a la luz que responde a los fotones incidentes con cambios en la corriente a través de él. Fotón photon: Término empleado por la física teórica para designar la cantidad o "quantum" de radiación electromagnética que posee masa en reposo nula y una energía E = h/f, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de radiación. Foto SCR photo SCR: Fotorrectificador controlado de silicio fabricado con su región compuerta sensible a la luz, de manera que el dispositivo se active por medio de una señal luminosa interna o del exterior. Fototransistor phototransistor. Transistor fabricado con su región de base sensible a la luz y encapsulado en un contenedor que tiene una fuente luminosa interna o acepta el recibir la luz del exterior. Foto TRIAC photo TRIAC: Tiristor activado por una señal luminosa en su compuerta. Construido al conectar dos foto SCR (espalda con espalda); por ejemplo, el ánodo del primer foto SCR al cátodo del segundo fotodiodo y viceversa. Fuente de área área source (véase también Fuente puntual): Representación de una fuente de radiación que tiene una posición definida en el espacio y un tamaño pequeño no despreciable. Se utiliza cuando la distancia visual no es grande comparada con la dimensión de la fuente. Fuente puntual point source (véase también Fuente de área): Representación ideal de una fuente de radiación que tiene una posición definida en el espacio pero dimensiones despreciables. Esto es generalmente válido cuando la distancia de observación es muy grande con respecto a las dimensiones de la fuente.

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OPTOELECTRÓNICA

GaAsP: Abreviatura química del fosfato de arseniuro de galio (compuesto semiconductor empleado en la fabricación de diodos emisores de luz). GaP: Abreviatura química del fosfato de galio (compuesto semiconductor empleado en la fabricación de diodos emisores de luz). Híbrido hybrid: Tipo de construcción de dispositivos en el cual las partes de dos circuitos independientes montados sobre dos o más chips (CI) diferentes se conectan entre sí por medio de pequeños filamentos o por metalizaciones en el sustrato (veáse también Monolítico). Iluminación illumination: Cantidad de flujo luminoso que incide sobre una unidad de área; usualmente se mide en fe. Iluminador illuminator: Tipo de LED diseñado para usarse como indicador de gran intensidad, o como fuente luminosa para iluminación posterior de panel. Incandescente incandescent: Lámpara o visualizador que produce luz cuando se calienta un filamento metálico al hacer pasar una corriente eléctrica dentro de un recipiente al vacío. Infrarrojo infrared: Nombre dado a la radiación invisible de la región del espectro electromagnético con longitudes de onda desde 750 nm hasta 1000 /μ. Intensidad luminosa luminous intensity: Parámetro fotométrico definido como la cantidad de flujo radiado a través de un ángulo sólido tridimensional. La unidad convencional de medición es la candela, donde 1 cd = 1 lm/sr. Interruptor óptico de límite optical limit switch: Dispositivo optoacoplado que contiene un emisor y un detector dentro de un mismo encapsulado, pero separados físicamente por un espacio libre. El dispositivo actúa como un interruptor de límite cuando un objeto mecánico interrumpe la trayectoria de la luz entre el emisor y el detector, ocasionando un cambio de nivel en la salida del dispositivo. Irradiancia irradiance: Cantidad de potencia electromagnética radiante por unidad de área que fluye a lo largo o dentro de una superficie; denominada también densidad de flujo radiado. Longitud de onda (símbolo ) wavelenght: Distancia que recorre una onda electromagnética durante un ciclo completo; matemáticamente  =c/f, donde c es la velocidad de la luz (en el vacío),f es la frecuencia y  está en metros. Lumen lumen: Unidad fotométrica básica de medición del flujo. Un watt de flujo radiométrico (potencia radiada) con una longitud de onda de 555 nm es equivalente a 680 lm. Luminancia (llamada también brillantez y brillantez fotométrica)luminance: Parámetro fotométrico definido como el flujo luminoso por unidad de ángulo sólido por unidad de superficie de emisión (p. ej., fuente de área). La unidad común de medición es el Pielambert, donde 1 pL = 1 cd/pie2. Micron micron: Unidad de longitud: es igual a 10-6 m. Monocromática monochromatic: Luz compuesta exclusivamente de una sola longitud de onda (o una banda muy angosta de ellas). Monolítico monolithic: Tipo de construcción de dispositivos en el cual todas las partes de los circuitos internos son fabricados en un solo chip (CI) de material semiconductor plano.

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2-11

Multiplexaje, Excitación multiplexada multiplexing, multiplexing drive: Técnica para reducir la cantidad de hardware con la cual varias lámparas indicadoras o visualizadores de 7 segmentos son controladas en tiempo compartido a partir de un conjunto de excitadores comunes, con una velocidad de multiplexaje lo suficientemente alta para que sea imperceptible al ojo humano. Nanómetro nanometer. Unidad de longitud igual a 10-9 m, empleada comúnmente para expresar la longitud de onda de la luz. Normalizado normalized: Cantidad cuyo valor ha sido ajustado de manera que el 100% se hace igual a 1. Optoacoplador optocoupler. Dispositivo que consta de un emisor de luz y un detector de luz, cada uno en circuitos separados aislados eléctricamente entre sí y acoplados sólo por medio del haz de luz entre el emisor y el detector. Optoaislador optoisolator. Término equivalente a optoacoplador. Patrón de radiación radiation pattern: Para una fuente de luz, es la representación gráfica de la intensidad luminosa contra el ángulo a partir del eje principal (en un plano dado). Piecandela footcandle: Unidad de medida de la iluminación. Se define como la superficie de 1 pie2 de área sobre la cual se distribuye uniformemente un flujo luminoso de 1 lm, o bien como superficie en la cual todos sus puntos se encuentran a una distancia de 1 pie de una fuente puntual uniforme de 1 cd. Pielambert footlamberf. Unidad de medición de la luminancia (brillantez fotométrica) igual a \/n cd/pie 2, o a la luminancia uniforme de una superficie perfectamente difusora que emite o refleja luz a razón de 1 lm/pie2. Plasma de CC DC plasma: Tipo de visualizador que produce luz por medio de la ionización de neón u otro gas en un envase de vidrio sellado y en cuyas terminales se aplica un elevado potencial de CC. Potencia óptica radiada (ROP) radiated output power. Unidad radiométrica básica para medir el flujo (en watts). Radiancia radiance: Unidad de medición radiométrica para el flujo radiante por unidad de ángulo sólido por unidad de superficie de emisión (watts por estereorradián por metro cuadrado). Razón de contraste contrast ratio: Relación entre la luminancia de los elementos de un visualizador o lámpara y la luminancia del medio (como resultado de la reflexión de la iluminación ambiental). Razón de transferencia de corriente current transfer ratio: Relación entre la corriente de salida y la de entrada en un optoacoplador. Resistencia de aislamiento isolation voltage: Parámetro de un optoacoplador que cuantifica la resistencia mínima (en ohms) entre las terminales de entrada y salida. Siempre se mide de acuerdo con voltaje específico. ROP: Véase Potencia óptica radiada. Sensibilidad de corriente de luz light current sensitivity: Parámetro de un fotodetector que caracteriza la corriente producida en respuesta a la luz radiada que incide sobre el dispositivo. Se define como la corriente producida en respuesta a determinado flujo por unidad de área en el detector; la unidad de medida son los /μA/(mV-cm2).

2-12

OPTOELECTRÓNICA

Sensibilidad espectral spectral sensitivity. Para un fotodetector, es la representación gráfica, u otro tipo de representación (como p. ej., una tabla), que muestra la sensibilidad direccional contra la longitud de onda. Sensor reflectivo reflective sensor. Dispositivo optoacoplado que cuenta con un emisor y un detector colocados lado a lado, de manera que la trayectoria seguida por el haz de luz de uno al otro depende de la reflexión que se produzca en algún objeto físico dispuesto delante del dispositivo. Silicio silicon: Elemento químico; símbolo Si. (Se utiliza ampliamente en la electrónica del estado sólido como material semiconductor). Tipo font. Término originalmente usado en pintura y gráficas, adoptado en opto-' electrónica para referirse al formato de secciones individuales del visualizador (por ejemplo un segmento de barras). Tubos fluorescentes vacuum fluorescent: Tecnología para visualizadores basada en tubos al vacío con ánodos cubiertos con fósforo. Al calentar los filamentos, éstos emiten electrones que bombardean el ánodo haciendo que desprendan luz. Unidades fotométricas photometric units: Sistema de unidades de medición de radiación electromagnética válido únicamente para longitudes de onda dentro del espectro visible (véase también Unidades radiométricas). Unidades radiométricas radiometric units: Sistema de unidades de medición de radiación electromagnética válido para todas las longitudes de onda (véase también Unidades fotométricas). Visualizador de gráfica de barras bar-graph display: Tipo de visualizador en el cual se tiene un arreglo de elementos que deberán encenderse en forma proporcional al valor de cierta magnitud analógica, de manera que el número de elementos encendidos sea equivalente a cierta magnitud. Visualizador de PLZT PLZT display: Visualizador fabricado con un material a base de plomo, lantanio, zirconio y titanio. El nombre se obtiene a partir de las abreviaturas químicas de estos elementos (Pb La Zr Ti). Visualizador de punto móvil moving point display: Arreglo de gráfica de barras por medio del cual se representa el valor de una señal analógica sólo por el encendido de un solo elemento a un tiempo, dentro de una cadena con varios elementos; de esta manera la posición del elemento encendido indica el valor analógico de la magnitud representada. Visualizador interactivo interactive display: Nombre dado a los visualizadores utilizados en sistemas de computadora que poseen microprocesador y memoria incorporados para realizar funciones de actualización y renovación de pantalla. Voltaje de aislamiento isolation resistance: Parámetro de un optoacoplador que cuantifica el aislamiento mínimo de alto voltaje entre las terminales de entrada y salida. Siempre se especifica con un valor pequeño de corriente de fuga y con una duración determinada. Voltaje de ruptura inversa reverse breakdown voltage: Cantidad de voltaje inverso aplicado a un dispositivo arriba de la cual se produce un aumento súbito en la corriente a través del dispositivo.

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2-13

Watt: Unidad básica de medida de la potencia. Un watt se define como 1 joule de energía por segundo.

2-1 c Ventajas de las lámparas de estado sólido El bajo voltaje de operación, corriente y consumo de potencia en los diodos emisores de luz (LED) los hacen compatibles con los circuitos electrónicos de control, de manera que su interfaz resulta más simple que en el caso de las lámparas de tipo incandescente o por descarga eléctrica. Los encapsulados sellados desarrollados para los LED presentan gran resistencia a los golpes y a las vibraciones mecánicas, lo que permite usarlos en condiciones ambientales donde otras fuentes luminosas fallarían. La fabricación de los LED con materiales de estado sólido garantiza una operación prolongada, con incremento de la confiabilidad del producto y reducción de los costos de mantenimiento del equipo en donde se instalen. La gama de colores disponibles —desde el rojo hasta el naranja, amarillo y verde— le proporciona al diseñador muy diversas posibilidades. Los LED cuentan con bajos niveles de ruido inherente, así como gran inmunidad a los ruidos generados en el exterior. Finalmente, la respuesta de estos componentes es rápida y estable, sin picos de corriente ni los periodos usuales de calentamiento, como ocurre en el caso de las lámparas de filamento. 2-1 d Características ópticas Lentes y patrones de radiación Sólo una parte de los fotones radiados por un LED emergen de su encapsulado debido a una serie de mecanismos internos de pérdida que incluyen la absorción dentro del propio material semiconductor, así como la reflexión y refracción que ocurren en el lente del encapsulado. La distribución espacial de la luz emergente está en función de las características ópticas del lente. Los diagramas de los patrones de radiación para tres tipos de lentes domo de la figura 2-10 ilustran los efectos de estas características ópticas. Generalmente, la hoja de datos de un LED suministrará una representación gráfica de su distribución de luz en función de un ángulo. El eje vertical con respecto a la superficie del chip del LED se representa como un 0o y con una salida relativa del 100%, mientras que para el resto de los ángulos fuera del eje el porcentaje disminuye. Un ejemplo de esto es la distribución espacial de la intensidad de salida para el LED M V5152 de la figura 2-11. El término "ángulo de visión" define el Figura 2-10 Diferentes patrones de raángulo fuera de eje para el cual diación.

2-14

OPTOELECTRONICA

la intensidad de salida ha decaído en más de 50% de su valor a 0o (valor en el eje). Un examen de la figura 2-11 revelará que el lente con foco angosto le proporciona al dispositivo un ángulo de visión de 20°. Unidades de medición radiométricas y fotométricas La figura 2-12 muestra una gráfica de la respuesta relativa en frecuencia del ojo humano y de celdas detectoras de silicio Figura 2-11 Distribución de la radia(como fototransistores). También se incluye en ción en el MV5152. la figura el espectro de emisión de un LED infrarrojo típico. Los datos acerca de la respuesta del ojo provienen de un estándar establecido en el año 1931 por la Commission Internacionale de l'Eclaira-ge, llamada comúnmente curva CIÉ. Un vistazo a estas dos curvas nos muestra que la respuesta del ojo humano es no lineal, mientras que la de la fotocelda es elevada y relativamente uniforme en la región infrarroja del espectro. Esta diferencia en las respuestas ha conducido al empleo de dos sistemas de unidades en el campo de la optoelectronica: las unidades radiométricas, aplicables a todas las longitudes de onda de la radiación, y las uni dades fotométricas, válidas únicamente en la región visible del espectro. En las hojas de datos para los LED infrarrojos, la intensidad luminosa emitida se da como un parámetro del dispositivo expresado en una unidad radiométrica de flujo llamada potencia, P, o potencia radiada, en watts (joules por segundo). Este

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-15

parámetro incluye la energía total radiada en todas las direcciones desde el lente del LED. La unidad fotométrica de flujo correspondiente se denomina lumen. A la respuesta pico del ojo humano, que tiene lugar a los 555 nm en la región del verde, 1 W en unidades radiométricas equivale a 680 lm de las unidades fotométricas. A otras longitudes de onda de luz visible, un watt equivale a poco menos de 680 lm. Además del parámetro de flujo, la emisión de luz por un LED se puede caracterizar como un parámetro de intensidad, que se define como la cantidad de flujo radiado a través de cualquier ángulo sólido tridimensional. El diagrama en la figura 2-13 define un ángulo sólido unitario llamado estereorradián (que se representa sr). Un examen detenido de esta figura revelará que el estereorradián puede formarse a cualquier distancia radial de la fuente de luz. Esto, por lo tanto, quiere decir que el parámetro de la intensidad es independiente de la distancia (a lo largo del ángulo visual principal) del lente. En unidades radiométricas, la intensidad se mide en watts por estereorradián, y en unidades fotométricas se mide en candelas (se representa cd), donde 1 cd = 1 lm/sr. De aquí en adelante se considerarán las fuentes de luz como fuentes puntuales, que resultan ser aproximaciones para LED individuales vistos desde varios metros. Sin embargo, en los casos de lámparas grandes rectangulares y de otras formas, de iluminadores y de visualizadores alfanuméricos, la estimulación visual experimentada por un observador se asemeja más a la de una fuente de área que a la de una fuente puntual. Por tal motivo se han ideado unidades de medición que tomen en cuenta el área de la fuente luminosa. Las unidades radiométricas, llamadas colectivamente radiancia, se expresan en watts por estereorradián por unidad cuadrada de superficie. Las unidades fotométricas correspondientes, llamadas colectivamente luminancia (o algunas veces brillantez), se expresan en lúmenes por estereorradián por unidad cuadrada de superficie (p. ej., candelas por unidad cuadrada). De todas

Para esta porción de superficie, área = r2

Figura 2-13 Definición de estereorradián: en una esfera de radio r, se define el estereorradián como el ángulo sólido que subtiende sobre la superficie de la esfera un área igual al cuadrado del radio de la misma. (Es decir que el área subtendida, limitada por A, B, C, D es igual a: r 2, siendo AB = BC= CD = DA = r.)

2-16

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-14 Circuito de manejo activo

Figura 2-15 Circuito de ataque activo

BAJO.

ALTO.

éstas, la que se emplea con más frecuencia es el pielambert (candelas por pie cuadrado). Las unidades de medición fotométrica se definen en el glosario. Para un estudio más completo, consúltese la bibliografía del capítulo. 2-1 e Consideraciones sobre la excitación de lámparas Circuitos básicos de excitación de los LED Las figuras 2-14 y 2-15 muestran dos circuitos básicos de excitación de los LED cualquiera que sea su tipo: lámparas, iluminadores, visualizadores de siete segmentos, etc. En el circuito de activación por nivel bajo, cuando el transistor entra en conducción, el LED queda polarizado en forma directa y produce luz. El valor del resistor limitador de corriente puede calcularse como sigue:

donde VCE(sat) es el voltaje colector-emisor de saturación. En el circuito de activación por nivel alto, el LED se enciende cuando el transistor está en corte. Aquí el valor del resistor debe cumplir con dos criterios: permitir suficiente IF a través del LED para producir la intensidad deseada cuando el transistor esté en corte, y asegurar que el transistor entre en saturación cuando esté conduciendo. Cuando el transistor está en corte, la ecuación para R es

Cuando el transistor está en conducción, la ecuación para R es

donde ICF es la corriente de saturación del transistor.. La figura 2-16 muestra varios circuitos TTL excitadores, junto con las respuestas de encendido y apagado del LED ante los estados lógicos de entrada.

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-17

Figura 2-16 Circuitos para manejo TTL (a) Salida de colector abierto; (b) Salida con posi-

tivo activo.

2-1f Selección de LED

Consideraciones que rigen la selección de un LED Además de la intensidad luminosa de salida deseada y de la corriente de excitación requerida, la

(d)

Figura 2-17 Encapsulados, con sus dimensiones: (a) T-¾; (b) T-l; (c) T-1¾; (d) rectangular

57124.

2-18

OPTOELECTRÓNICA

selección de un LED específico para una aplicación determinada puede depender también de otras consideraciones de importancia. Entre éstas se encuentran la combinación de lente y encapsulado, color, luz ambiental, ángulo de visión, contraste con el fondo que rodeará al LED y la distancia visual. Los fabricantes ofrecen los LED en tamaños de encapsulados originados para las lámparas incandescentes (tanto el corto como el estándar T 3/4, T-l y T-l 3/4), y también suministran los porta LED y biseles para que puedan ser montados en paneles o tableros planos. Pueden obtenerse en encapsulados tipo TO-18, y con terminales axiales para su montaje directo en tarjetas de circuito impreso. Las configuraciones mecánicas, así como las dimensiones de diferentes encapsulados, se condensan en la figura 2-17. Además de estos encapsulados corrientes, los LED vienen con formas rectangulares y de otros estilos. La figura 2-18 muestra algunas de estas variaciones. Una de ellas tiene forma de flecha para indicar una dirección al encenderse, y las lámparas cuadradas y rectangulares pueden tener leyendas impresas sobre su superficie. Las ubicaciones típicas para montar los LED incluyen los extremos de las tarjetas de circuito impreso para indicar el estado lógico o diagnosticar la información; exteriormente, en los tableros frontales, o detrás de filtros de luz en las calculadoras de mano y aparatos similares. Además de sus estados de encendido o apagado, un

(di

Figura 2-18 Diferentes tipos de presentación para lámparas con LED; (a) forma de flecha,

(b) bloque, (c) módulos de barras, (d) rectangular.

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-19

Tabla 2-2 Niveles de luz* Iluminación Ambiente Luz solar: día claro y brillante nublado Oficinas interiores: general para mecanografía y computación Manufactura: ensamble y pruebas eléctricas trabajo pesado Residencial: cocina estudio general

(PC)

8500 1500 100 150 100 50 150 70 10

* Tomado del manual del Illuminating Engineering Society (ÍES) Handbook. 5a. ed. 1972.

LED puede proporcionar información adicional por medio de su color (p. ej., rojo para indicar una condición de peligro, amarillo para precaución y verde para estado normal). La iluminación ambiental puede variar desde la luz brillante del Sol hasta las condiciones interiores en la oficina y el hogar, y hasta condiciones de penumbra como las que se encuentran en un cuarto de radar. La tabla 2-2 contiene información de iluminación para diferentes ambientes comunes. A fin de que el observador pueda diferenciar correctamente el estado de encendido o apagado de un LED, se debe establecer una intensidad luminosa mínima

1000

2000 3000

Iluminación ambiental en pie-candelas (pe)

Figura 2-19 Gráfica empírica que muestra las condiciones de visibilidad confortable

para LED con diferentes condiciones de iluminación ambiental. Nótese que los datos se refieren al LED rojo típico MV5754 (con lente difusa), sin filtro, con fondo gris, visto desde una distancia de unos 3 pies sobre el eje centrado.

2-20

OPTOELECTRÓNICA

para determinada condición de luz ambiental. Cuando todos los otros factores en el punto de montaje (p. ej., tipo de LED, lente, ángulo de visión y distancia, etc.) permanecen constantes, la intensidad luminosa del LED debe ser mayor a niveles más altos de luz ambiental. La figura 2-19 muestra una gráfica empírica de esta relación subjetiva para el caso de MV5754. Para el mismo tipo de pastilla de LED e IF, un lente de foco angosto proporciona una intensidad luminosa mayor a lo largo del eje principal, pero tiene un ángulo visual más reducido (del orden de 5 a 10°), mientras que un lente con un patrón de radiación más extendido ofrece un ángulo de visión más ancho, a cambio de una intensidad luminosa considerablemente menor. El tipo de fondo que rodea al LED puede tener gran influencia en la percepción por el ojo humano. La brillantez percibida de un fondo depende de la cantidad de luz que incide sobre él, la reflectividad y textura de su superficie, y aun su color comparado con el del propio LED. La percepción visual del LED puede mejorarse aumentando el contraste entre el LED iluminado y su fondo, a través de medios mecánicos (cubiertas, cornisas, etc.) o por la adición de filtros ópticos. (Cabe señalar que un filtro tiende a reducir en cierta proporción la intensidad luminosa de un LED.) La distancia de observación es la que determina el tamaño mínimo del área aparente de emisión del LED; los encapsulados subminiatura (como el T-3/4) son adecuados cuando la distancia de visión es de unos cuantos centímetros, pero si la distancia es de algunos metros se requerirá uno de tipo rectangular. En algunas aplicaciones, las consideraciones que influyen en la selección del LED más adecuado conducen a especificaciones de producto que no puede obtenerse en el comercio. En tales casos, el diseñador debe analizar los intercambios y compromisos que pueden tener lugar, y a través de este proceso hallar un LED que cumpla por lo menos con el criterio lógico de esa aplicación en particular. Por ejemplo, hacer el fondo más oscuro, escoger un dispositivo con una intensidad luminosa más grande, como sería seleccionar un LED rojo en vez de uno verde por su mayor eficiencia, etc. Tabla de diseño Para facilitar la tarea de diseño, la tabla 2-3 ofrece una lista concisa de consideraciones en la selección adecuada de LED. Los dos ejemplos de diseño siguientes ilustran el uso de esta lista. Ejemplo 2-2 Aplicación para equipo industrial El equipo consta de un instrumento portátil de laboratorio. Un LED que deberá ir montado en el tablero frontal de control por medio de un portaLED de plástico que entra a presión. El instrumento está destinado a emplearse en un área de pruebas eléctricas donde se espera una iluminación ambiental de 100 fe. La función del LED es indicar si el aparato está encendido o apagado, ée modo que puede ser de cualquier color, excepto rojo, que según las normas de la compañía sólo puede usarse para indicar condiciones de peligro. El fondo que rodea al LED es una superficie de aluminio anodizado, opaca y mate. El ángulo de visión puede ser angosto y la dis-

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-21

Tabla 2-3 Hoja de trabajo para el diseñador 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

Tipo de equipo Montaje sobre o dentro del equipo Técnica de montaje Ambiente (iluminación ambiental) Color del LED Fondo alrededor del LED Ángulo de observación Distancia de observación Tipo de filtro (si se necesita) Otras técnicas para mejorar el contraste Otros criterios de diseño Tipos de LED, posibles candidatos Intensidad luminosa deseada IF necesaria para la intensidad luminosa pedida Corriente de manejo en forma de ce o de pulsos VF correspondiente a la IF anterior Tipo de circuito manejador Valor del resistor limitador Elección final del tipo de LED

tancia visual es de unos cuantos centímetros, puesto que el aparato puede ser movido por el operador para obtener una mejor visión. Otros criterios de diseño son: una ligera pérdida de intensidad luminosa a través de un lente de difusión que queda justificada a cambio de una mejor apariencia estética al estar encendido el LED, y una IF mínima para

Figura 2-20 Intensidad luminosa en fun-

ción de IF, para la familia de los LED MV5X54.

2-22

OPTOELECTRÓNICA

limitar el consumo de energía. Los LED que pueden utilizarse en este problema son: MV5254: verde (color más deseable pues implica la circunstancia de que todo está bien) MV5354: amarillo (posible color) MV5154: naranja (menos deseable ya que es muy cercano al rojo) Solución En la figura 2-19 relativa a esta familia de LED apreciamos que, para el ambiente indicado (zona de pruebas en una fábrica) con una iluminación de 100 fe, la intensidad luminosa mínima debiera ser de 4 mcd. Las curvas de la intensidad luminosa contra la IF y la IF contra VF tomadas de las hojas de datos de la familia MV5X54 se muestran en las figuras 2-20 y 2-21. En ellas se puede ver que, en el caso de un LED verde MV5254 se requiere una IF, de 24 mA para producir la intensidad deseada de 4 mcd. Para esta IF la V,: correspondiente resulta ser de 2.25 V. Si se conecta el LED directamente al voltaje de alimentación Vs a través de un resistor en serie, una corriente constante mantendrá el LED encendido cuando se conecte la alimentación. El valor del resistor se puede calcular a partir de

Figura 2-21 IF en función de V, para

familia de los LED MV5X54.

Donde Vcc es 5 V, y R resulta de 115 Ω. Ejemplo 2-3 Aplicación a un producto de consumo El equipo es un horno de microondas en donde el LED es controlado por un termopar que se activa cuando se alcanza la temperatura deseada. El horno está diseñado para emplearse en una cocina casera. El LED puede ser de cualquier tamaño o color, y estará soldado a una tarjeta de circuito impreso situada detrás de un tablero de control de plástico transparente, a la derecha de la puerta del horno. El ángulo de visión debe ser ancho y la distancia visual puede alcanzar hasta 3 m. La iluminación en la cocina puede ir desde la iluminación fluorescente de 150 pe por la noche hasta el

2-1 LÁMPARAS TIPO LED

2-23

peor caso, que sería un día soleado de verano, con luz de día de hasta 3 000 pe. El LED deberá ir montado detrás de un material plástico opaco que sirve de filtro. El circuito de excitación constará de un transistor npn de colector abierto y un resistor en serie para limitar la corriente. Se prefiere un encapsulado tipo T-l 3/4 y la familia idónea es la MV5X53. Otra variable de diseño es que, en lugar de una cubierta plástica transparente frente al LED, el color del tablero se iguala con el del LED para mejorar el contraste. Solución De lo anterior se puede apreciar que la condición de iluminación más crítica para esta aplicación es la luz de día que llega a través de la ventana de la cocina. Según la figura 2-19, es evidente que la intensidad luminosa mínima requerida cuando la iluminación ambiental es de 3000 pe no puede ser alcanzada aunque se utilice un MV5753, que es el LED más eficiente de esta familia. Por lo tanto, el empleo del LED preferido obligará a hacer ciertos compromisos e intercambios en esta aplicación. Por ejemplo, en días soleados el observador deberá acercarse por lo menos hasta 3 m o moverse de una posición de 50° del centro a una más cercana al eje central. Si se polarizara el LED a su IF máxima, la degradación sufrida sería mayor y daría lugar a una disminución de la intensidad emitida antes del tiempo previsto, que debe ser igual al tiempo de vida del horno. Por ello, en esta aplicación, el diseñador debe considerar varias alternativas y, específicamente, reducir ciertos requisitos técnicos de la aplicación (como cambiar la gama de iluminación suprimiendo la observación bajo luz solar intensa o haciendo el ángulo de visión más cerrado a fin de que se pueda utilizar un lente con foco más angosto que proporcione mayor intensidad), contar con un circuito excitador complejo a base de un manejador de corriente pulsante, mejorar el contraste rodeando al LED con un fondo negro no reflejante o incluso considerar otro tipo de LED (como el MV5752). Consideraciones de diseño para iluminadores con LED Mientras que en las aplicaciones en indicadores, el observador ve el LED directamente, en las de iluminadores, la luz emitida por el LED se proyecta sobre una superficie, generalmente la parte posterior de un tablero translúcido o mica. En las hojas de datos para los iluminadores, la luz emitida se cataloga como intensidad luminosa I y está expresada en candelas (lúmenes por estereorradián). Este parámetro es independiente de la distancia de la fuente puntual del LED. Después de determinar la distancia entre el chip del LED y la superficie que debe iluminarse, el diseñador puede deducir un parámetro fotométrico de iluminación, la iluminancia E, a partir del valor de la intensidad luminosa I. La iluminancia, llamada también exitancia luminosa o incidencia luminosa, se mide en lúmenes por unidad cuadrada de superficie. Por ejemplo, un piecandela de iluminación es igual a un lumen que incide en una superficie de 1 pie cuadrado.

2-24

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-22

Superficie curva ABC.

Figura 2-23 Superficie plana ABC.

Cuando la superficie es curva, como se muestra en la figura 2-22 y la intensidad luminosa es uniforme sobre todo el ángulo de visión, es válido aplicar la siguiente ecuación:

Cuando la superficie es plana, como se muestra en la figura 2-23, deberá tomarse en cuenta el ángulo θ con respecto al eje principal (vertical), con lo cual la ecuación para E se vuelve igual a:

Después de que se hayan especificado la superficie, el tamaño, la forma y la iluminación, el procedimiento de diseño consiste en seleccionar un LED, decidir su posición de montaje con respecto a la superficie que debe iluminarse y calcular qué IF debe suministrarse para producir la iluminación necesaria sobre la superficie en cuestión. Ejemplo 2-4 Diseño de un iluminador Una superficie plana de 0.75 pulg por 0.75 pulg deberá iluminarse con una intensidad de 20 fc (20 lm/pie2); como fuente luminosa se ha escogido un LED iluminador de color naranja MK9150-2. Dentro de su encapsulado, el MK9150-2 tiene dos pastillas LED conectadas en serie, con sus superficies de emisión apartadas 0.150 pulg debajo de la superficie del lente. Se deberá suministrar una corriente constante IF para encender el LED.

2-1 LAMPARAS TIPO LED

2-25

Figura 2-24 Patrón de radiación para el

LEDMK9150-2. Solución La figura 2-24 muestra el patrón de radiación para este LED. De acuerdo con el patrón podemos notar que, para ángulos hasta de 30° a partir del eje central, la intensidad luminosa no presenta disminución en su valor. Por lo tanto, haciendo θ = 30° para esta aplicación, la posición del LED con respecto a la superficie que debe iluminarse será como se ilustra en la figura 2-25. Despejando d1 y d0 obtenemos:

Figura 2-25 Posición del LED en el ejem-

plo de diseño.

2-26

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-26 Intensidad luminosa en

Figura 2-27 IF en función de VF para

función de IF para el LED MK9150-2.

el LEDMK9150-2.

Las figuras 2-26 y 2-27 muestran las curvas de la intensidad luminosa contra la IF e IF contra VF para el LED MK9150-2. En estas figuras podemos ver que la intensidad luminosa es de 80 mcd cuando la IF es de 100 mA y VF de 4.3 V. Sobre la superficie iluminada, a lo largo del eje principal, el valor de la iluminación E es de

y a 30° del eje central la iluminación es de

En las esquinas de la superficie de 0.75 X 0.75 pulg el ángulo fuera de eje será mayor que 30°. En la figura 12-28 vemos que

y

Despejando θ obtenemos

2-2 ARREGLOS DE GRÁFICAS DE BARRAS

2-27

B=O.75in

Figura 2-28 Ángulo de desviación respecto al eje para la esquina de la superficie.

En el patrón de radiación para el MK9150 en la figura 2-24, podemos notar que a 39° la intensidad luminosa decae a 98% de su valor de 80 mcd en el eje central. Sustituyendo el nuevo valor de θ en la ecuación 2-5, obtendremos la iluminación E en las esquinas de la superficie

Estos cálculos han confirmado que en las esquinas del MK9150-2 ubicada a 0.5 pulg de la superficie por iluminarse, con IF = 100 mA, la iluminación E resultante esparcida sobre la superficie excederá los 20 fe, exceptuando las esquinas, en donde decae a un mínimo de 16.2 fe. La figura 2-29 muestra el circuito de excitación para este ejemplo. El valor del resistor limitador de corriente se obtiene a partir de Figura 2-29 Circuito de manejo.

Se pueden conseguir niveles promedio de iluminación mayores si se satura el transistor por una onda cuadrada en lugar de una señal continua. 2-2 ARREGLOS DE GRÁFICAS DE BARRAS 2a Encapsulados Arreglos sencillos de gráficas de barras se pueden obtener colocando varios LED

2-28

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-30 Ejemplos de encapsulados con varios LED (a) módulo NSM3914 de National

Semiconductor, (b) BPX 84 de Litronix, (c) TIL280 de Texas Instruments, (d) MV57164 de General Instrument.-Nota: Todas las dimensiones están en pulgadas.

redondos o rectangulares lado con lado. Cuando es importante un tamaño compacto o cuando la barra debe ser muy grande, resulta más práctico emplear uno o más encapsulados, cada uno de los cuales contiene múltiples secciones de LED independientes (para ejemplos de este tipo de encapsulados, véase la Figura 2-30). 2-2b Visualizadores de punto móvil y de gráfica de barras La figura 2-31 ilustra dos formas de mostrar la información en un arreglo de gráfica de barras. Si sólo un LED se enciende a la vez, el valor de la información de entrada queda representado por la posición del LED encendido, y el arreglo se conoce como visualizador de punto móvil. En el otro método, uno o más LED se encienden consecutivamente para formar una cadena que muestra el valor de la variable; este arreglo se conoce como visualizador de gráfica de barras.

2-2 ARREGLOS DE GRÁFICAS DE BARRAS

2-29

(a)

(b)

Figura 2-31 Visualizador de barras para aplicaciones como

velocímetro, (a) Indicación puntual, en que el segmento prendido (visualizador de punto móvil) indica la posición; (b) indicación acumulada en que la posición se denota Dor el fin de la zona iluminada (visualizador de gráfica de barras).

2-2c Decodificación y excitación para los visualizadores de gráfica de barras Circuitos que operan con señales analógicas de entrada Las figuras 2-32 y 2-33 muestran dos circuitos con los cuales es posible representar, por medio de visualizadores de gráfica de barras, las magnitudes de cualquier señal analógica de entrada. Estos circuitos emplean varios comparadores analógicos y una red divisora de tensión para realizar las funciones de conversión analógica-digital y la decodificación. La configuración de la figura 2-32 es para una respuesta del tipo de punto móvil, mientras que la configuración de la figura 2-33 produce una gráfica de barras completa. En una representación lineal, los valores de todos los resistores de la red deberán ser iguales. Por otra parte, un sistema con escala no lineal (como logarítmica, cuadrado inverso, etc.) requiere valores escalados en los resistores. En el circuito de la figura 2-32, cuando Vent es menor que el voltaje del comparador V1 se encenderá el LED 1, y el resto de las salidas de los comparadores permanecerán en nivel alto manteniendo apagados los demás LED. Conforme Vent aumenta y excede a V1, la salida del comparador 1 pasará a nivel bajo, apagando el LED 1 y permitiendo que la siguiente sección, el LED 2, se encienda. (El resto de los LED permanecerán apagados.) Conforme Vent sigue aumentando, cada sección superior se irá encendiendo a la vez, y el resto permanecerán apagadas. En el circuito de la figura 2-33, si Vcnt es menor que V1 (voltaje de referencia en el primer comparador), ningún LED se encenderá. Al aumentar Vent, cada una de las secciones se irá encendiendo en forma progresiva conforme se incremente Vent produciendo una cadena de LED encendidos. Existen varios circuitos integrados que desempeñan este tipo de funciones y que pueden adquirirse en el comercio. Para satisfacer aquellas aplicaciones en que el espacio de los componentes está severamente limitado, los fabricantes han desarrollado técnicas para alojar varias

2-30

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-32 Circuito de manejo para indica-

dor puntual.

Figura 2-33 Circuito de manejo para visuali-

zador de gráfica de barras.

2-2 ARREGLOS DE GRÁFICAS DE BARRAS

2-31

Figura 2-34 Circuito con dos encapsulados.

secciones de los LED en un solo encapsulado o en sustratos especiales. En tales dispositivos, las secciones de los LED ofrecen un ángulo de visión mucho más amplio, además de que es posible agrupar varios elementos hasta formar gráficas de barras de cualquier longitud. La figura 2-34 contiene el esquema de un circuito construido con dos encapsulados, uno de 18 terminales y el otro de 20. El LM3914 acepta un voltaje analógico de entrada y produce líneas de excitación individuales para las 10 secciones de los LED del arreglo MV57164. La figura 2-30 suministra las dimensiones y el espaciamiento de estas secciones. De la forma en que se conecte la terminal 9 del LM3914 (selectora) dependerá la manera en que funcionen las secciones de LED; conectarla directamente a VCc permite la operación como una gráfica de barras normal, mientras que conectarla a la terminal 11 se da lugar a una operación del tipo de punto móvil. Circuitos que operan con entradas digitales Cuando la información que se va a mostrar se proporciona en forma digital, ya sea que provenga de convertidores analógico-digitales o de lógica de control, se pueden emplear CI en los circuitos excitadores. La figura 2-35 muestra el esquema de un circuito que tiene un decodificador TTL que controla un visualizador de punto móvil de 10 LED. La figura 2-36 ofrece el esquema de un circuito que cuenta con un demultiplexor TTL

2-32

OPTOELECTRÓNICA

Nota: sólo se necesita un resistor de limitación de corriente porque únicamente hay un LED prendido en todo instante

Figura 2-35 Circuito para indicación puntual con entrada digital.

que realiza las funciones de decodificación y excitación para un visualizador de gráfica de barras con 16 LED. 2-3 VISUALIZADORES 2-3a Introducción a los visualizadores

Niveles de información Las lámparas y los arreglos de gráfica de barras analizados en las secciones 2-1 y 2-2 comunicaban niveles digitales de información

Figura 2-36 Circuito para visualizador de gráfica de barras con entrada digital.

2-3 VISUALIZADORES

2-33

(c )

Figura 2-37 Conjunto de caracteres en un visualizador de siete segmentos, (a)

formato e identificación de los segmentos; (b) circuito de aplicación típico; (c) tabla de verdad para la combinación MANÍA y SN7447.

al observador por medio de estados de encendido o apagado, y la información de tipo anunciador por medio de sus posiciones dentro de una cadena de secciones. Los visualizadores, en cambio, transmiten niveles de información mucho más elevados ya que pueden mostrar estados adicionales además de los estados de encendido o

2-34

OPTOELECTRÓNICA A,

Figura 2-38 Conjunto de caracteres para un visualizador de 14 segmentos, (a)

Formato e identificación de los segmentos. (Nota: Los segmentos A y D están indicados en dos partes pero ambas mitades operan conjuntamente.); (b) conjunto de caracteres típico.

apagado. Cada posición de un visualizador digital puede indicar los números del 0 al 9, y cada posición de un visualizador alfanumérico puede mostrar números y letras (en algunos casos el alfabeto completo), además de varios símbolos especiales. Tipos Los visualizadores se componen de uno o varios dígitos o caracteres. Cada posición del visualizador se establece a partir de secciones individuales cuyos formatos, denominados tipos (fonts), están dispuestos como un arreglo rectangular con segmentos en forma de barras o bien como una matriz de puntos. Las figuras

2-3 VISUALIZADORES

2-35

2-37 a 2-41 ilustran algunos de los tipos más comunes junto con los números, letras y símbolos que pueden representar. 2-3b Tipos de tecnologías de visualizadores Además de la tecnología de los LED ya analizada, consideraciones de tipo económico y del factor humano han estimulado el desarrollo de varias tecnologías para visualizadores. A la fecha, ninguna de éstas se ha convertido en la tecnología más adecuada para todo tipo de aplicaciones. Los párrafos siguientes son un resumen de otras tecnologías, y la tabla 2-4 compara las características de las principales cinco tecnologías que son hoy de uso general. Fluorescentes al vacío Los visualizadores basados en esta tecnología constan esencialmente de tubos al vacío con ánodos recubiertos de fósforo. Cuando circula una corriente por los filamentos, éstos liberan electrones que bombardean los ánodos ocasionando que emitan luz. Plasma de CC El principio de operación de estos visualizadores está basado en la ionización del gas neón contenido en un recipiente sellado. Cuando se aplica un voltaje elevado de CC entre las terminales del ánodo y cátodo, el gas empieza a ionizarse, emitiendo una intensa luz de color naranja.

Figura 2-39 Visualizador de 16 segmentos, (a) Formato e identificación de seg-

mentos; (b) conjunto típico de caracteres.

2-36

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-40 Visualizador modificado de matriz de puntos

4 por 7. (a) Formato de la matriz; (b) conjunto típico para caracteres hexadecimales.

Cristal líquido Comúnmente abreviados en inglés como LCD (Liquid Crystal Display), estos visualizadores utilizan compuestos de fluidos orgánicos cuyas propiedades de transmisión de la luz puedan ser alternadas al aplicar un campo eléctrico (en forma de voltajes de CA o CC). Los visualizadores LCD se construyen en forma de "sandwich" con dos hojas de vidrio cuyas superficies interiores están cubiertas con un fluido de cristal líquido conductor configurado en patrones de segmentos o puntos. Pequeños voltajes aplicados a uno o más segmentos (o puntos) alteran la estructura molecular del líquido. En ausencia de voltaje, el fluido es transparente a la luz (p.ej., no contrasta con la cubierta de vidrio que le rodea), pero al aplicarse un voltaje, el fluido absorbe la luz y la forma del segmento (o punto) aparece ante la vista del observador en contraste con los alrededores. De lo anterior puede deducirse que los visualizadores de cristal líquido difieren de las otras tecnologías en que no emiten luz por sí mismos. En cambio, permiten el paso o absorben toda la luz que incida sobre ellos proveniente de una fuente externa, que usualmente es la luz ambiental. Su principio de operación explica por

2-3 VISUALIZADORES

2-37

qué este tipo de visualizadores no pueden verse en la oscuridad (a menos que se tenga otro medio de iluminación); asimismo, su visibilidad mejora conforme aumenta el nivel de iluminación ambiental. Este fenómeno es opuesto al que se presenta en los visualizadores que emiten luz propia. Mucho tiempo y esfuerzo se han dedicado al desarrollo de circuitos de interfaz y multiplexaje para los visualizadores de cristal líquido. Debido a su bajo consumo de energía, es posible excitarlos directamente a partir de CI sin necesidad de circuitos externos.

Figura 2-41 Visualizador de matriz de puntos 5

por 7. (a) Formato de la matriz; (b) repertorio típico de caracteres ASCII.

2-38

OPTOELECTRÓNICA

Tabla 2-4 Características de las tecnologías de fabricación de visualizadores Tecnologías Características

LED

Fluorescente al vacío

Plasma de ce

Cristal líquido

Incandescente

Bueno

Bueno a excelente

No disponible

Excelente

Brillo

Bueno a excelente

Colores

Rojo, naranja, amarillo, verde

Rojo, amarillo verde, azul

Naranja

Iluminación externa

Cualquiera (filtro)

0.1-1.0

0.2-1.0

0.2-1.0

0.2-12

0.2- 1.0

Altura del carácter (pulgadas) Tipo de carácter

7—16 segmentos y 7—16 segmentos y matriz de puntos matriz de puntos

7—16 segmentos y 7—16 segmentos y matriz de puntos matriz de puntos

7 — 16 segmentos

Ángulo de observación (grados)

150

150

120

100

150

Temperatura de operación

-40 a 85 °C

0a55°C

Oa55°C

-20 a 60 °C

-40 a 85 °C

Voltaje

1.6a 5 V CC

10-35 V CC 1.7- V C A

125-180 V CC

3-20 CA

Potencia/dígito

10-250 mW

20-250 mW

175-750 mW

10-200 MW

100-700 mW

50-500 ns

1-10 MS

15-500 /ÍS

50-200 ms

10 ms

Tiempo de respuesta Otras funciones de visualización disponibles

Indicador de estados, iluminador, anunciador analógico

Anunciador analógico

Anunciador analógico

Anunciador analógico

3-5 V CC

Indicador de estados, iluminador

Tiempo de vida en horas

100 000+

50 000

50 000

50 000

10 000 a 20 000

Potencial para gráficas

Sí

Sí

Sí

Sí

No

Incandescentes Los visualizadores de tecnología incandescente están construidos a partir de filamentos individuales de tungsteno (un filamento por cada segmento del visualizador), sellados en una especie de recipiente de vidrio. La aplicación de una corriente a un filamento ocasiona su calentamiento e iluminación mediante la emisión de luz blanca compuesta por varios colores. Por lo tanto, es posible situar filtros de colores frente a los filamentos para obtener un color específico. Los visualizadores del tipo incandescente son difíciles de multiplexar, pues son cargas resistivas a la vez que permiten el paso de corriente en ambas direcciones. Otras tecnologías La investigación realizada hasta ahora prevé muy pocos cambios en las tecnologías para visualizadores aparte de las ya mencionadas aquí. Los visualizadores de película delgada o gruesa basados en el fenómeno de la electroluminiscencia (bajo la aplicación de voltajes de ca y cc) se proporcionan en

2-3 VISUALIZADORES

2-39

diversos colores. Sin embargo, estos visualizadores tienden a desvanecerse con la luz del Sol y su tiempo de vida es corto. Sin embargo, su mayor desventaja es el alto voltaje necesario, de 200 a 600 V. Los visualizadores basados en tecnologías electrocrómicas presentan problemas de coloración residual y cortos tiempos de vida. A pesar de que ofrecen gran variedad de colores y una gama amplia de temperaturas de operación, el diseñador tendrá problemas al multiplexarlos. Los visualizadores de PLZT toman su nombre, como dijimos, de las abreviaturas químicas de los elementos que los componen: plomo, lantanio, zirconio y titanio. Cuando se aplica un campo eléctrico a una placa cerámica hecha de este material, sus propiedades ópticas de transmisión cambian, de manera que se opaca en una proporción de 100:1. El tiempo de conmutación, encendido/apagado, es de 10-15 yus (mucho más rápido que los visualizadores LCD). Al igual que los visualizadores de cristal líquido, éstos no producen luz, sino que requieren la luz del exterior. A principios de los años ochenta, ninguna de estas últimas tecnologías ha tenido un fuerte impacto en el mercado de los visualizadores. 2-3c Factores humanos Como se emplea aquí, el término "factores humanos" se refiere en forma colectiva a las características de los sistemas de visualizador que tienen algún efecto sobre el observador. Las más importantes son: distancia visual y ángulo de visión, altura de carácter, brillantez, color, relación de contraste entre los elementos del visualizador y el fondo que los rodea, forma y figura, intermitencia, nebulosidad, etc. Generalmente, estas características determinarán la precisión con que el observador reconocerá los caracteres producidos y la cantidad de fatiga que experimentará conforme se prolongue el tiempo de observación. Los experimentos con seres humanos han demostrado que, aun en condiciones idénticas de observación y de visualización, la respuesta y el funcionamiento no es el mismo para todas las personas. Por esta razón, las conclusiones derivadas de los estudios sobre los factores humanos tienden a ser formuladas en términos de principios subjetivos y como aproximaciones a reglas empíricas. Durante el desarrollo de nuevos diseños de

donde d es la distancio de observación h es la altura del carácter  es el ángulo vertical

Figura 2-42 Relación entre la distancia de observación y

la altura del carácter.

2-40

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-43 Intensidad luminosa en función

de la altura de carácter para visibilidad normal.

visualizadores es recomendable construir prototipos, para ser evaluados en condiciones reales de operación por observadores tipo. Relación entre la altura de carácter y la distancia visual La figura 2-42 define las relaciones geométricas entre la altura de carácter y la distancia visual en términos del ángulo de altura . Los estudios han demostrado que, con ángulos de altura menores que 3.5' (0.058°), los caracteres de los visualizadores se vuelven irreconocibles para los observadores. Un ángulo de 10' (0.167°) de altura cae dentro de la región de mayor comodidad para el ojo. Para un carácter de 0.5 pulg (0.042 pies) y un ángulo de altura de 10', la distancia visual es de

Intensidad luminosa contra altura de carácter A diferencia de las lámparas LED discretas, que pueden considerarse como fuentes puntuales de luz, el tamaño comparativamente mayor de los visualizadores ocasiona que se les considere como fuentes de área de luz. Esto significa que conforme se aumente el tamaño del carácter también deberá hacerlo la intensidad luminosa, para mantener la misma brillantez ante el ojo del observador. La figura 2-43 muestra una gráfica de la intensidad luminosa contra la altura de carácter donde la iluminación ambiental se ha mantenido en 100 pc.

2-3 VISUALIZADORES

2-41

Intensidad luminosa contra iluminación ambiental Para mantener una visión normal, la intensidad luminosa deberá incrementarse si la iluminación ambiental así lo hace. La figura 2-44 contiene dos gráficas de esta relación, una de ellas para un visualizador LED de 0.40 pulg y la otra para uno de 0.56 pulg. Razón de contrastre Para los visualizadores LED, la razón de contraste entre los elementos del visualizador y el fondo alrededor de él depende de la luminancia (brillantez) de los elementos del visualizador y de la luminancia de los alrededores que surge como resultado de la reflexión de la iluminación ambiental. Una expresión sencilla para determinar una razón de contrastre adimensional para un visualizador más brillante que su alrededor sería

Experimentos que incluyen a observadores humanos han demostrado que la RC mínima para hacer la discriminación operacional entre los elementos del visualizador y los alrededores debe ser aproximadamente de 2:1. Los estándares militares suelen especificar una RC de 10:1 como el valor mínimo aceptable. De la expresión anterior se podrá observar que, cuando la luminancia. del visualizador se mantiene constante, los aumentos en la iluminación ambiental ocasionan aumentos correspondientes en la luminancia de los alrededores, dando por resultado que la RC disminuya. Esto explica, por ejemplo, por qué los visualizadores LED en las calculadoras de bolsillo y en los relojes de pulso son más difíciles de ver en el exterior bajo la luz directa del Sol que en interiores en condiciones normales de iluminación.

2-42

OPTOELECTRÓNICA

Un método para mantener la visibilidad conforme la iluminación ambiental aumenta es aumentar la intensidad luminosa del visualizador. La colocación de un filtro óptico frente al visualizador es otro método para mejorar la visibilidad, sobre todo cuando es elevada la iluminación ambiental. Esto es válido a pesar de que una parte de la intensidad luminosa del visualizador es absorbida por el propio filtro. En los visualizadores monocromáticos pueden utilizarse filtros altamente selectivos. Nebulosidad, "fantasmas" y parpadeo Estos tres fenómenos degradan la calidad del carácter iluminado, ocasionando así la fatiga y el cansancio del operador y conducen, muy posiblemente, a errores humanos durante la lectura. La causa de la nebulosidad (aspecto borroso) es la presencia de "vellosidades" en los extremos de los segmentos o puntos en el carácter. Los "fantasmas" son una clase de efecto que se encuentra en algunos sistemas multiplexados que operan a altas velocidades. Cuando la velocidad de conmutación de los excitadores no es suficientemente rápida como para garantizar un apagado total del dígito anterior antes de que el siguiente se encienda, se puede presentar la condición indeseable de que dos dígitos se enciendan simultáneamente durante periodos cortos. El parpadeo o intermitencia es un fenómeno que se presenta también en los sistemas multiplexados. Tiene lugar si la frecuencia de multiplexaje es demasiado lenta. Para evitar esto, se recomienda que la frecuencia sea por lo menos de 100 Hz (o incluso más grande, si existe un movimiento rápido entre el visualizador y el ojo del observador). 2-3d Visualizadores de siete segmentos Los visualizadores de siete segmentos son los más comunes debido a que son capaces de representar todos los números así como algunas letras fáciles de reconocer. La mayor parte de ellos pueden ser manejados a partir de circuitos de ce, pero el empleo de técnicas de multiplexaje puede reducir los requisitos de alambrado, especialmente cuando varios visualizadores se apilan juntos. Para simplificar las descripciones de los circuitos excitadores y para mantenernos dentro del espacio disponible en este capítulo, sólo explicaremos con detalle los visualizadores LED. Cátodo común ( b )

Configuraciones de visualizadores LED Los visualizadores LED de un solo dígito suelen venir en una de dos posibles configuraciones, ánodo común o cátodo

Figura 2-45 Conexiones internas de vi-

sualizadores LED. (a) Visualizador de ánodo común; (b) visualizador de cátodo común.

2-3 VISUALIZADORES

2-43

Figura 2-46 Visualizador LED multidígito con conexión de ánodo común.

común (Fig. 2-45). Los arreglos de dígitos múltiples pueden también conectarse dígito a dígito en una configuración de ánodo o cátodo común (donde todos los segmentos a se conecten juntos, igual que todos los segmentos b, y así sucesivamente). Por ejemplo para ilustrar lo anterior, pongamos el caso del circuito de la figura 2-46. Tales arreglos de dígitos múltiples deben ser excitados a partir de un circuito multiplexado. Métodos de construcción de visualizadores LED Las figuras 2-47 a 2-49 ilustran los tres métodos de construcción más comunes en la fabricación de visualizadores LED. El híbrido de vista directa fue el primer método que se utilizó. Cada segmento está compuesto por dos pastillas con ocho puntos luminosos por pastilla. La luz emitida dentro de la pastilla se propaga directamente desde la cubierta del encapsulado hasta el observador. El monolítico, también un método de vista directa, se utiliza comúnmente en la fabricación de pequeños visualizadores (con altura de carácter del orden de 0.135 pulg.) debido a la restricción del compromiso tamaño/costo. Para alcanzar un tamaño de carácter fácil de leer, una burbuja o cualquier otro lente de amplificación se coloca sobre el visualizador. Las aplicaciones más comunes de los visualizadores monolíticos son las calculadoras de bolsillo y los relojes digitales. Consideraciones de bajo costo condujeron al desarrollo del método de reflector (o guía de luz) (Fig. 2-49). Aquí se emplea un solo LED por segmento para proyectar dígitos o tamaños de carácter desde 0.3 hasta 0.8 pulg. En este método un solo LED se monta en el fondo de la cavidad conformada. La luz del LED se refleja a través de la cavidad hasta llegar a un lente difuso en la superficie del visualizador.

2-44

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-47 Método híbrido de construcción para visualizadores de visión directa.

Circuitos de ce para manejo de LED La figura 2-50 muestra dos configuraciones posibles de visualizadores de cátodo común. En la primera de ellas la alimentación Vcc suministra la corriente para el segmento del LED a través de un resistor de limitación, de modo que el LED está prendido cuando el transistor de salida no conduce (control "positivo"). El segmento del LED está apagado cuando el transistor de salida conduce. En la segunda configuración en cambio, el segmento se prende cuando conduce el transistor y permanece apagado mientras el transistor no conduzca. En la figura 2-51 puede verse un montaje de control "negativo" que sólo podrá ser utilizado con visualizadores del tipo ánodo común. En este caso el segmento se prende cuando conduce el transistor. En resumen, el visualizador de cátodo común requiere un circuito de control "positivo" que pueda "enviar" corriente al segmento (Fig. 2-50), mientras que el de ánodo común requiere un circuito que pueda "drenar" corriente del segmento (Fig. 2-51). En el caso de cátodo común puede optarse entre usar el transistor de salida

2-3 VISUALIZADORES

Ib)

Figura 2-48 Método de construcción monolítico para visua-

lizadores de visión directa, {a) Vista isométrica; (b) vista de perfil. (MAN50, 70, 80, 3600, 4500 4600 4700, 4800 Series)

Figura 2-49

Método de construcción reflejante (tipo "tubo de luz").

2-45

Tabla 2-5 Circuitos integrados decodificadores y manejadores para visualizadores LED de siete segmentos

2-3 VISUALIZADORES

Tabla 2-5 (Continuación)

2-47

2-48

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-50 Circuitos de manejo positivo para segmentos

de visualizadores LED montados en cátodo común, (a) Manejo invertido con SN7449; (b) mando directo (tal como el 9368).

Figura 2-51 Circuito de manejo negativo para seg-

mentos de un visualizador LED en ánodo común.

2-3 VISUALIZADORES

2-49

como interruptor en serie con Vcc (Fig. 2-506) o usar un resistor para limitar la corriente al segmento y hacer que el transistor opere como interruptor en paralelo, desviando la corriente del segmento (Fig. 2-50a). Los circuitos integrados comerciales para decodificación y control de visualizadores se valen de circuitos de salida similares a los presentados en las figuras 2-50 y 2-51. En la tabla 2-5 se indican varios de estos circuitos comerciales para visualizadores LED de siete segmentos. Ejemplo 2-5 Circuito de manejo para visualizador hexadecimal

Necesitamos indicar números hexadecimales en un visualizador de un solo dígito para un instrumento de laboratorio cuyos circuitos lógicos TTL entregan cuatro líneas de datos y un pulso de transferencia. Los datos serán válidos durante algunos microsegundos mientras el pulso está en nivel BAJO, pero deberán ser ignorados cuando la línea del pulso esté a nivel ALTO. El nivel ambiental de luz está entre 300 y 400 pe, la distancia máxima a que quiere verse el indicador es de 10 pies y el ángulo máximo de visión es de 100°. Diseñe el circuito de control pertinente para un visualizador de color verde. Solución

Para el visualizador escogeremos un MAN4510 (verde) de ánodo común junto con un circuito integrado 9370 para el control del visualizador. (La elección del circuito integrado se basa en que decodifica al conjunto hexadecimal de caracteres indicado en la figura 2-52, y además posee las funciones de aseguramiento, así como de decodificación y manejo. La hoja de datos de la serie de visualizadores MAN4500 especifica un ángulo de visión hasta de 150°, valor que supera los 100° necesarios en nuestro caso. La misma hoja de datos nos indica que la altura del carácter es de 0.4 pulg (esto es 0.033 pies). Con un ángulo de visión de 10', por

Figura 2-52 Conjunto de caracteres hexadecimal obte-

nido en un visualizador de siete segmentos con un decodificador/manejador 9370.

2-50

OPTOELECTRÓNICA

sustitución en la ecuación (2-9), se tiene una distancia superior a los 10 pies que requería nuestro ejemplo

Examinando la figura 2-44 vemos que, para permitir una visibilidad confortable con un visualizador de 0.4 pulg de altura, la intensidad luminosa del visualizador debe ser al menos de 500 /μcd con un nivel ambiente de 400 pc. Las especificaciones del 9370 indican que la salida drena una corriente típica de 20 mA (con Vcc =5 V). La gráfica de intensidad luminosa en función de IF para el MAN4510 (véase la figura 2-53) indica que a 20 mA le corresponden 500 μcd,, exactamente el valor que necesitábamos en este ejemplo. En la figura 2-54 puede verse el esquema del circuito. Los siete resistores RL de limitación de corriente tienen el mismo valor que se calcula como sigue. En la gráfica de VF en función de IF correspondiente al MAN4510 (Fig. 2-55) vemos que VF. vale 2.5 V para IF = 20 mA. Para Vcc de 5 V Figura 2-53 Intensidad luminosa las especificaciones del 9370 indican que Vsal es en función de IF para un visualiigual a 0.4 V o menos cuando Lsal = 20 mA. En zador MAN4510. ese caso se calcula RL poniendo.

Y sustituyendo Vcc — 5 V, para 1F = 20 mA tenemos

Figura 2-54 Esquema del circuito de manejo por ce del ejemplo 2-5.

2-3 VISUALIZADORES

2-51

Gráfica de I F en función de VF. para el visualizador MAN4510. Figura 2-55

Figura 2-56 Diagrama de bloques de un sistema visualizador LED multiplexado.

Circuitos de manejo multiplexados La figura 2-56 muestra un diagrama general de bloques de un sistema de visualización multiplexado. Nótese que se utiliza un solo decodificador/manejador. Con fines explicativos elegimos un sistema con seis caracteres o dígitos, aunque los mismos conceptos siguen siendo aplicables para un sistema con N caracteres controlados a partir de un solo reloj y un mismo bus de datos. La intención básica del multiplexado es compartir entre varios visualizadores un mismo decodificador/manejador de siete segmentos, reduciendo así el número de interconexiones y el número de componentes del sistema. En estos sistemas multiplexados sólo hay un dígito prendido a la vez. La misión de la lógica de control de sincronización es producir un conjunto de pulsos secuenciales de dígitos y sincronizar los datos de segmentos con esos pulsos (véase la figura 2-57). La frecuencia multiplexora/ (llamada también velocidad de renovación) está dada por

2-52

OPTOELECTRÓNICA

donde T es el tiempo que se tarda un ciclo completo de visualización. En este caso la sincronización se refiere a que deben disponerse sobre las líneas comunes de segmentos los datos correspondientes al dígito 1, simultáneamente con el pulso de activación de ese dígito, así como los datos de segmentos para el dígito 2 simultáneamente con la aparición del pulso del dígito 2 y así sucesivamente. Aunque en cada instante todos los dígitos reciben los datos correspondientes a los segmentos de uno solo, únicamente se prenderán los segmentos correspondientes a ese dígito en particular por ser él el único que recibe al mismo tiempo el pulso de activación de dígito. Los restantes (N — 1) visualizadores permanecen Figura 2-57 Diagrama de tiempos de apagados ya que no se pulsan sus manejadores de un sistema multiplexado de visualización con 6 dígitos. dígito. La figura 2-58 muestra un circuito simplificado de control para sistemas LED multiplexados. Nótese que este circuito utiliza un visualizador del tipo ánodo común, lo que requiere que los transistores de control de segmento "drenen" corriente

Figura 2-58 Circuito de manejo simplificado para sistemas de visualización LED

multiplexados.

2-3 VISUALIZADORES

2-53

y que los transistores de control de dígito suministren corriente (control positivo). En todo el sistema sólo se usan siete resistores de limitación de corriente (uno por segmento), ya que en todo un ciclo completo de visualización sólo están prendidos simultáneamente los siete segmentos de un solo visualizador LED. Esto significa que la máxima corriente de polarización directa de colector que tiene que soportar cada manejador de segmento es la correspondiente a un solo segmento LED. En cambio, la corriente que circula por los transistores de manejo de dígito será la suma de la consumida por todos los segmentos prendidos en ese dígito. La corriente del transistor de dígito podrá ser desde cero (dígito en "blanco") hasta siete veces la corriente de polarización directa de cada segmento (para el carácter 8). Puesto que los visualizadores permanecen apagados durante la mayor parte del ciclo, cabe imaginar que, si se manejaran con la misma corriente de polarización directa usada en un circuito de ce resultaría un brillo mucho menor para el observador. Para obtener un brillo equivalente será necesario compensar esta situación mediante un incremento de los niveles de corriente por segmento. El cociente entre el tiempo en que permanece prendido el LED y el que dura apagado se denomina factor de servicio y se expresa como

Expresión que nos permite hablar, para nuestro caso de un sistema de seis dígitos multiplexados, de un factor de servicio del 16.7% (Fig. 2-56). El pulso de corriente de manejo (IP) necesario para lograr un brillo equivalente al obtenido con la ce de polarización directa (/,) en nuestro ejemplo de seis dígitos, con IF = 10 mA, se calcula así:

La corriente de polarización directa promedio Ip (promedio) que circula por un segmento LED manejado con un pulso de anchura máxima como el indicado en la figura 2-57 está dada por Ip (promedio) = (factor de servicio) X (Ip )

(2-14)

En la sección 2-1 indicábamos que el manejo de los LED con pulsos de corriente permite obtener rendimientos luminosos mayores que cuando se usan los niveles equivalentes de ce. Los sistemas de visualización multiplexados utilizan este aumento de rendimiento, pero dentro de las limitaciones impuestas al número máximo de elementos multiplexados por la capacidad de pico de corriente del visualizador. Las hojas de datos de los visualizadores LED pueden especificar sólo un número como corriente máxima absoluta tolerable para "comente directa máxima //', pero para

2-54

OPTOELECTRÓNICA

condición pulsada el límite máximo debe especificarse en forma de curvas, en función de la duración absoluta del pulso o bien del factor de servicio. Igualmente, la intensidad luminosa, para condiciones de régimen de pulsos, se expresa también mediante una curva, por lo general usando valores relativos (respecto de las condiciones de operación continua) en función del factor de servicio o de la duración de los pulsos. Los ejemplos siguientes nos indicarán cómo usar estas curvas en el caso de un visualizador verde MAN4510. Ejemplo 2-6 Diseño de un visualizador multiplexado con cuatro dígitos

Se desea construir un sistema de cuatro dígitos con visualizadores MAN4540. La frecuencia de multiplexado (frecuencia de renovación) será de 200 Hz. Con la curva de la figura 2-59 determinaremos la IP máxima por segmento y con la curva de la figura 2-60 determinaremos la intensidad luminosa promedio producida por esa IP. (Supongamos que se puede usar un pulso de anchura máxima tal como se indica en la figura 2-57.) Solución

Despejando el factor de servicio de la ecuación 2-13 obtenemos

En la figura 2-59 vemos ahora que, con un factor de servicio del 25%, la IP máxima es aproximadamente de 80 mA. Sustituyendo este valor en la expresión 2-14 obtenemos la corriente promedio equivalente IP(promedio) = (factor de servicio)( IP) = (0.25)(80 mA) = 20 mA

Figura 2-59 Gráfica de la corriente má-

Figura 2-60 Intensidad luminosa rela-

xima de pico por segmento IP en función del factor de servicio para la serie MAN4500.

tiva en función del factor de servicio para elementos tipo MAN4500. (Nota: Los datos de esta gráfica se obtuvieron con una IP(promedio) = 10mA).

2-3 VISUALIZADORES

2-55

En la figura 2-53 vemos que una operación continua con IF = 20 mA produce aproximadamente 525 μcd. Puesto que el rendimiento luminoso es mayor en el régimen pulsante, recurriremos ahora a la figura 2-60 para encontrar un valor relativo de intensidad luminosa. Este valor, para un factor de servicio del 25%, es 1.35 veces la intensidad luminosa equivalente continua (de 525 μcd), lo que significa que tenemos una intensidad de 709 μcd en condiciones de régimen pulsante. Ejemplo 2-7 Diseño de un visualizador multiplexado para diez dígitos

Se desea un visualizador de diez dígitos con indicadores MAN4510 operando a una frecuencia de 200 Hz, que produzca una intensidad luminosa de 500 μcd mínimo. Determine el valor necesario de IP. Solución Sabiendo que son diez dígitos y usando las figuras 2-53, 2-59 y 2-60, llegamos a las siguientes conclusiones factor de servicio = 1 X 100 = 10% N

(2-13)

IP Máxima = 160 mA (según la figura 2-59) Para un factor de servicio del 10%, la intensidad luminosa relativa es de 1.8 (según la figura 2-60), y encontraremos la intensidad luminosa promedio haciendo Intensidad luminosa promedio = 1.8 (intens. luminosa en cc) = 500 μcd

(2-15)

De la expresión anterior obtenemos la intensidad luminosa continua equivalente, que es igual a 278 μcd, y en la figura 2-53 vemos que la IF(CC) necesaria para producir 278 μcd es de 10 mA, por lo que para IP resulta un valor de

Ejemplo 2-8 Cálculo del resistor limitador de corriente

La figura 2-61 muestra el circuito para los transistores de manejo de segmentos y de dígitos, para uno de los dígitos del sistema visualizador descrito en el ejemplo anterior, con IP = 100 mA. Determine el valor del resistor limitador de corriente para voltaje de alimentación dado VLED. Para el transistor Qs supongamos que la curva correspondiente garantiza un VCE(SAT)

2-56

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-61 Parte del sistema de manejo multiplexado para el visualizador de

10 dígitos. de 0.2 V a Ic = 100 mA, y para el transistor QD supongamos que el VCE(sat) es de 0.8 V, cuando I c =lA. Solución El valor del resistor se calculará a partir de

donde IP = corriente directa de pico por segmento VF = voltaje de polarización directa en el LED para la I P dada Vs = voltaje de saturación en el transistor de control de segmento para la IP dada VD = voltaje de saturación del transistor de manejo de dígito a una corriente de colector igual a IP multiplicada por el número de segmentos prendidos simultáneamente. En la expresión anterior puede verse que el caso más desfavorable para VD se presenta cuando están prendidos los siete segmentos, para el dígito 8 (en ese momento la corriente de colector es igual a 7 veces IP). En la figura 2-55 podemos ver que VF es de 3.2 V cuando IP es de 100 mA. Sustituyendo en la expresión anterior obtenemos

De la ecuación anterior puede deducirse que si se elige voltaje de alimentación de 5 V para VLED, el voltaje en el resistor RLED será sólo de 0.8 V, dejando 4.2 V (es decir el 84% del voltaje) para VD, Vs y VF. En estas condiciones las variaciones eventuales de las caídas en estos elementos (por

2-3 VISUALIZADORES

2-57

2-58

OPTOELECTRÓNICA

ejemplo, en VD a medida que la corriente de colector de QD varía de 2 IP, (para el dígito 1) a 7 IP, (para el dígito 8) producirían variaciones de brillo perceptible para el observador entre uno y otro caracteres. Incluso las variaciones de voltaje en VLED repercutirían directamente en el brillo del visualizador. En este ejemplo es, pues, necesario elegir para VLED un voltaje superior a 5 V. En muchos casos puede recurrirse como buena opción al voltaje de alimentación no regulado (siempre que lo permitan las especificaciones) con que se alimentan los reguladores locales de 5 V de los circuitos lógicos. Este voltaje suele ser de unos 6.5 V y sus variaciones no resultarán ya tan apreciables para los observadores del visualizador. Haciendo VLED igual a 6.5 V en este ejemplo, tendremos una caída de 2.3 V en RLED , dejando 4.2 V (64%) para Vr, Vs y VD. Despejando RLED se tiene

2-3e Visualizadores alfanuméricos

Visualizadores multisegmentos Aunque se podrían usar circuitos de manejo de ce con visualizadores que dispusieran de una salida por cada segmento, las técni-

Figura 2-63 Configuración general de multiplexado para visualizadores multisegmento.

2-3 VISUALIZADORES

2-59

Figura 2-64 Parte que incluye la decodificación, el manejo y los visualizadores de un sistema de 32 caracteres.

cas de multiplexado permiten reducir considerablemente la complejidad del alambrado cuando se disponen dos o más caracteres en un mismo visualizador. En los visualizadores múltiples (esto es, con varios dígitos en la misma cápsula), es obligatorio usar alguna forma de multiplexado ya que los segmentos correspondientes de los diferentes caracteres suelen conectarse internamente en paralelo. La figura 2-62, por ejemplo, muestra un diagrama de las conexiones internas y las terminales de salida de cápsula de un visualizador LED de 14 segmentos MAN2815. El MAN2815 tiene 8 dígitos en una cápsula de 24 terminales y mide 1.39 X 0.74 X 0.195 pulg. En la figura 2-63 se observa el diagrama de bloques de una configuración generalizada de multiplexado para visualizadores multisegmento y en la figura 2-64 se indica un circuito específico para un visualizador hasta de cuatro MAN2815. Visualizadores de matriz de puntos El mayor número de elementos independientes en un visualizador de matriz de puntos, en comparación con los visualizadores de segmentos, permite obtener una mayor gama de caracteres diferentes. Además, estos caracteres pueden tener mejor aspecto debido a sus formas redondeadas que se parecen más a los tipos usuales de imprenta. (Compárense por ejemplo los números de la figura 2-37 con los de la figura 2-41). A diferencia de los visualizadores de 7 segmentos en los que resulta fácil disponer una terminal de salida para cada segmento, las limitaciones de espacio en los

2-60

OPTOELECTRÓNICA

visualizadores de matriz de puntos definitivamente prohiben ese tipo de conexión para cada punto de la matriz. En un visualizador de 5 X 7, por ejemplo, se trataría de disponer 35 terminales para tener acceso a cada punto, más una terminal común de alimentación. En un visualizador de dos caracteres estamos hablando de 72 terminales y así sucesivamente. La única forma de reducir el número de las mismas es, pues, multiplexando y los fabricantes suelen usar una estructura de renglones y columnas, con una terminal de salida por cada una. En la figura 2-65 puede verse un esquema de conexiones para un visualizador de 5 X 7 LED que tiene 12 terminales más una salida de punto decimal. En los visualizadores de matriz de puntos hay que usar necesariamente circuitos de manejo multiplexados para generar los caracteres por exploración de renglones o de columnas, según se ilustra en la figura 2-66. El proyectista tiene la oportunidad de diseñar su propio circuito o, sí lo prefiere, escoger un visualizador que ya lleve incorporado el circuito de manejo. La serie HP5082-7300, por ejemplo, incluye en una sola cápsula integrada, un visualizador LED modificado de matriz de puntos de 4 por 7, los excitadores y la memoria de aseguramiento, con sólo 8 terminales de salida. Con este tipo de visualizadores la tarea de diseño consiste en integrar este subsistema con el formato de datos y de temporización generados en el resto del equipo.

Figura 2-65 Dimensiones y esquema de un visualizador típico LED- de matriz 5 por 7 (MAN2A). (a) Encapsulado; (b) esquema.

2-3 VISUALIZADORES

2-61

(c)

Figura 2-66 Métodos de generación de caracteres, (a) Letra E que se desea representar (en 5 X 7); (b) generación por exploración de columnas; (c) generación por exploración de renglones.

2-3f Visualizadores con electrónica incorporada

Definición Las exigencias por parte de los proyectistas de niveles de integración de componentes mayores han llevado a los fabricantes de los LED a ofrecer visualizadores que incluyen todo el circuito de manejo y uno o más elementos visualizadores LED en un mismo circuito integrado. Estas unidades reciben en ocasiones el nombre de visualizadores con electrónica incorporada (on-board electronics displays), y la mayoría están diseñados en forma modular pensando en facilitar la labor de formar sistemas multicaracteres. Cápsulas y construcción Estos visualizadores (OBE) vienen en un gran número de tipos y tamaños, desde los de un solo carácter hasta los múltiples, con 7, 14 o 16 segmentos o bien con matrices de puntos de alta resolución. La electrónica añadida al circuito puede incluir en forma parcial o total la decodificación, aseguramiento y manejo de los segmentos o puntos, ya sea por técnicas de multiplexado o en régimen continuo. En la construcción de estos visualizadores se emplea básicamente una técnica híbrida. Los chips de los diferentes circuitos integrados (decodificación, visualizadores, etc.) se disponen sobre un solo sustrato y posteriormente se realiza la interconexión mediante hilos conductores y termopresión. Según el método específico de construcción, el circuito integrado que contiene la electrónica de manejo puede quedar del lado frontal del sustrato, junto con el visualizador LED, o bien del lado opuesto. En los visualizadores más pequeños (y relativamente costosos), del tipo de "visión directa", se usa en general un sustrato cerámico y el conjunto se encapsula en epoxy. En algunos casos este epoxy sirve también para obtener una lente cilindrica o de burbuja sobre los LED. En los visualizadores multiplexados más grandes (y también relativamente más económicos), se suelen usar técnicas ópticas de reflexión ("reflector" light pipe). El

2-62

OPTOELECTRÓNICA

chip o chips que contienen los circuitos de manejo se unen mediante epoxy directamente sobre una tarjeta de circuito impreso y luego se realizan las interconexiones de los chips a las pistas de la tarjeta y de éstas a su vez a los LED. Una vez concluido el proceso existe toda una gama de posibilidades para proteger las pastillas y los hilos de conexión contra cualquier daño mecánico. Puede disponerse una lente reflectora sobre los chips, pegándole luego una cubierta plástica, o bien puede disponerse directamente sobre el conjunto un globo de epoxy o silicón que una vez seco protegerá perfectamente las pastillas y los hilos de conexión. Circuitos de manejo En los visualizadores OBE numéricos de un solo dígito que emplean el manejo estático de ce se incluye todo el circuito de decodificación manejo y aseguramiento. En cambio, en los visualizadores más complicados de matriz de puntos y de barras del tipo alfanumérico sólo se incluye una parte del circuito de control. En estos casos la decodificación tiene que hacerse en forma externa y también hay que añadir normalmente multiplexores para llegar a un sistema visualizador completo. Visualizadores típicos De entre lo que ofrece el mercado usualmente podemos extraer cuatro tipos representativos de la variedad existente.

Visualizador hexadecimal de un solo dígito en matriz de puntos 5 X 7 . El diagrama de bloques de este tipo de visualizador de manejo directo es el indicado en la figura 2-67. Muchos fabricantes ofrecen visualizadores similares con diferentes presentaciones. Son elementos de visión directa con diodos LED por cada punto. Visualizador de matriz de puntos 5 X 7 de tres caracteres: En la figura 2-68

puede verse un visualizador multiplexado que incorpora un circuito par2-3

Figura 2-67 Visualizador hexadecimal 5 X 7 de un solo dígito con entrada binaria (TIL5O5, TIL311 o HP7300). (a) Diagramas de bloques; (b) conjunto de caracteres.

2-3 VISUALIZADORES

Figura 2-68 Visualizador de tres caracteres con matriz de puntos 5X7 (TIL560).

cial de manejo. Contiene un registro de corrimiento de 15 bits para direccionar sus 15 columnas de los LED pero requiere manejo externo en sus 7 terminales de ánodo de renglón. La decodificación de los caracteres se ha de hacer externamente y las señales de manejo han de aplicarse convenientemente a las terminales de renglón (de ánodo) y a la

"Nota: el diagrama se refiere a un visualizador de 6 caracteres

Figura 2 -69 Diagrama de bloques de un sistema visualizador con elementos de matriz de puntos 5 X 7 (TIL560).

2-63

2-64

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-70 Diagrama de bloques de un visualizador multiplexado de 4 caracteres (DL-1414/DL-1416).

entrada serie de columnas para lograr que se conformen en el visualizador los caracteres adecuados. Puesto que se trata de un sistema multiplexado hay que "renovar" continuamente los datos de renglones y columnas. En la figura 2-69 puede verse un circuito tipo para realizar esta función. Visualizadores alfanuméricos de 16 segmentos de cuatro caracteres. El diagrama de bloques de la figura 2-70 se refiere a un sistema visualizador completo de 4 caracteres multiplexados. En este tipo se incluye una ROM para la decodificación de caracteres, una RAM para la renovación del visualizador, los circuitos de sincronización y control e incluso su

Figura 2-71 Visualizador expandido a 32 caracteres (DL-1414/DL-1416).

2-3 VISUALIZADORES

2-65

Figura 2-72 Módulo visualizador de 4 dígitos, con electrónica incorporada (OBE) tipo NSM4000A.

propio oscilador de reloj para mantener e' multiplexado. Son de color rojo, aproximadamente de 0.16 pulg de alto, monolíticos, de visión directa y con caracteres de 16 segmentos. Cuando se activa la línea de escritura (WR) se pueden introducir datos ASCII paralelo en forma asincrona por las líneas de datos Do a D7. En la figura 2-71 se aprecia cómo se expanden estos visualizadores para formar un sistema mayor, en este caso de 32 caracteres. Sistema de cuatro dígitos en siete segmentos. La figura 2-72 muestra el diagrama de bloques de un sistema visualizador de 4 dígitos con sistema de reflector para obtener caracteres de 1/2 pulg de altura. El visualizador contiene un circuito de manejo de ce formado por un registro de entrada serie de 35 bits y un registro de salida paralela, también de 35 bits. Los datos a visualizar entran en forma serie al primer registro y después del bit 35 el contenido de este registro se transfiere automáticamente al registro de salida. Se requiere un circuito externo para decodificar y poner los datos en forma serie, en paquetes de 35 bits de largo. Normalmente esto se hace con algún sistema microprocesador de aplicación especial como el de la figura 2-73. 2-3g Visualizadores interactivos Evolución histórica La aparición de los microprocesadores en la segunda mitad de la década de los 70 llevó a la incorporación de la arquitectura de procesa-

2-66

OPTOELECTRÓNICA

TTT

Detector de estación

Figura 2-73 Diagrama de bloques de un sistema típico de serialización y decodificación basado en un microprocesador.

dor central en muchas nuevas áreas del diseño. Al resaltar la importancia de los compromisos entre "circuitos" y "programas" y de la reducción de cargas rutinarias de trabajo en los procesadores centrales o "maestros", esta innovación impulsó la aparición de los "visualizadores" interactivos. Son sistemas que permiten escribir o leer, indistintamente, en ellos. Esta nueva categoría de visualizadores consta de un sistema completo que se distribuye en dos tarjetas de circuito impreso. Una de ellas, el controlador, es un microprocesador "esclavo" con su propia memoria local (ROM y RAM), su decodificador de puntos/segmentos y el circuito de interfaz para un sistema de cómputo central. La segunda tarjeta, la del visualizador propiamente dicho, lleva varios visualizadores LED y sus circuitos de manejo correspondientes. Los fabricantes ofrecen visualizadores interactivos con conexión serie o paralelo a un procesador central en un sistema de cómputo y también hay versiones para conexión directa a buses de datos TTL o para conexión a interfaces de comunicación tipo RS-232C. Productos existentes En las figuras 2-74 y 2-75 aparecen dos de los visualizadores interactivos disponibles en el comercio. El HÜSP-24XX utiliza visualizadores de matriz de puntos 5 X 7 (HDSP 2000). Las tarjetas del visualizador están disponibles en diferentes versiones, que van de 16 a 40 caracteres cada una, mientras que las tarjetas del controlador existen en versiones para códigos ASCII de 64 caracteres, códigos ASCII de 128 caracteres o versiones que disponen de una base para una PROM de modo que el usuario pueda introducir su propio código. El XDS 2724 utiliza visualizadores (MAN2815) de 14 segmentos (más punto decimal) para formar un sistema de 24 caracteres; existen versiones que permiten el Ínter-

Figura 2-74 Sistema visualizador alfanumérico HDSP-24XX, con elementos HDSP-2000 de ma-

triz de puntos 5 por 7 (Hewlett-Packard).

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OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-75 Sistema visualizador alfanumérico XDS2724 con elementos MAN2825 de 14 segmentos (General Instruments).

cambio de datos con el sistema de cómputo en forma serie o paralela. La decodificación es determinada por una porción de la ROM local del microprocesador del controlador. La ROM estándar del XDS2724 opera con código ASCII y produce los caracteres que se muestran en la figura 2-76. Ventajas Los visualizadores interactivos simplifican el trabajo del diseño proporcionando un medio de almacenamiento temporal que acelera el proceso de actualizar la información del visualizador y libera al procesador central de las tareas de sincronización y renovación. Además, los visualizadores interactivos devuelven líneas de control hacia el sistema central que le permiten modificar el brillo o recuperar información del propio visualizador (a través de la misma interfaz usada para la comunicación con el sistema central en dirección del visualizador). Requerimientos de hardware/software Los requerimientos varían de un fabricante a otro, pero en general el proyectista deberá cuidar los puntos siguientes: 1. Las conexiones a los buses de datos y de control del procesador central y la sincronización de las señales en esas líneas 2. Las conexiones con otros circuitos de control del sistema central 3. Los formatos de las palabras de datos y de comandos que deben intercambiar el visualizador y el sistema central. 2-4 OPTOACOPLADORES Teoría de optoacopladores

Cuando se combina una fuente LED en la misma cápsula con algún tipo de detector óptico de estado sólido (por lo general un semiconductor de silicio), el dispositivo resultante recibe el nombre de optoacoplador o a veces optoaislador. La luz

2-4 OPTOACOPLADORES

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Figura 2-76 Conjunto de caracteres del XDS2724 en respuesta a códigos ASCII emitidos por el sistema de cómputo central.

procedente del LED, normalmente infrarroja, llega al fotodetector atravesando un medio transparente como un ducto plástico o, en algunos casos, un espacio de aire. Esta estructura produce un dispositivo que permite el acoplamiento de señales entre dos circuitos electrónicos independientes y totalmente aislados entre sí. Según el tipo de cápsula, estos dispositivos pueden alcanzar aislamientos entre 2000 y 3750 V y aun mayores. La figura 2-77 muestra un cptoaislador típico, cuyo transistor aparece en la figura 2-78. Cuando circula corriente por el LED de entrada, la luz o los fotones producidos inciden en la región fotosensible de la base del transistor y generan una

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OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-77 Optoaislador típico con fototransistor.

Figura 2-78 Detector con fototransistor. (a) Símbolo convencional; (b) estructura; (c) circuito equivalente. corriente IP. La corriente de emisor resultante (IE) es igual a la ganancia de corriente del transistor HFE multiplicada por IP. (El cociente entre IE e IF se denomina razón de transferencia de corriente.) En la figura 2-79 se ilustra un detector fotodarlington. En este caso la corriente de origen fotónico se limita a la primera etapa y se indica como I/P en la figura. Lacorriente de salida del detector, o sea la corriente de emisor de la segunda etapa, IF2, es igual al producto de Ip por las ganancias de corriente de ambos transistores, esto es, IE1 = Ip1 HFE1 HFE2. Para una IF dada en el LED de entrada este detector produ-

Figura 2-79 Detector fotodarlington. (a) Símbolo convencional; (b) estructura; (c) circuito equivalente.

2-4 OPTOACOPLADORES

eirá pues una corriente de salida mayor que el detector de una sola etapa previamente descrito. En la figura 2-80 puede verse otra versión del detector Darlington. En esta configuración la conexión a la base de la segunda etapa está disponible externamente en V B2 , de modo que pueda insertarse un resistor adicional. Con ello se puede ajustar el producto ganancia-ancho de banda y mejorar el margen de ruido en circuitos TTL. Los optoacopladores con este tipo de detector, como el 6N139,

2-71

Figura 2-80 Detector fotodarlington de dos transistores con conexión intermedia.

Figura 2-81 Fototiristor detector, (a) Símbolo convencional; (b) estructura; (c) circuito equivalente.

pueden operar con corrientes IF, de 0.5 mAy entregar a la salida niveles de corriente compatibles con circuitos TTL. La figura 2-81 muestra un fotodetector SCR. Aquí la corriente fotogenerada en la unión basecolector del transistor npn hará conducir a este transistor que a su vez hará conducir al pnp y éste mantendrá en conducción al anterior (aseguramiento), aun cuando se elimine posteriormente la corriente fotoeléctrica. En la figura 2-82 puede verse un detector en que los fotones procedentes del LED de entrada inciden sobre un fotodiodo conectado a un amplificador. Este último se conecta a su vez a un disparador Schmitt y a una compuerta lógica cuya salida estándar en colector abierto provee la capacidad de manejo necesaria para

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OPTOELECTRÓNICA

conectarse a cualquier circuito lógico. Los optoacopladores con este tipo de detector, como el MCL611, requieren una 7Fde sólo 10 mA y pueden operar a velocidad de transmisión de datos hasta de 1 MHz. 2-4b Tipos de optoacopladores

Las figuras 2-83 a 2-85 muestran algunas cápsulas típicas de optoacopladores y sus correspondientes esquemas. En lectores de tarjetas perforadas y cintas de papel, y

Figura 2-83 Encapsulado típico con vías de transmisión luminosa internas (MCT2). (a) Corte; (6) esquema eléctrico; (c) encapsulado mini-DIP estándar.

(a)

(b)

Figura 2-84 Encapsulado típico con vía de transmisión de luz reflejada (sensor de objetos por reflexión MCA7). (a) Aspecto externo; (¿>) esquema eléctrico. Espacio de aire

(a)

(b)

Figura 2-85 Encapsulado típico con camino de aire para la transmisión de luz (interruptor óptico de límite, ranurado, MCA8). (a) Aspecto externo; (b) esquema.

2-4 OPTOACOPLADORES

2-73

Figura 2-86 Ejemplo de optoacoplador realizado con emisor y receptor independientes para uso como lector de cintas o tarjetas perforadas.

en otras aplicaciones en las que las limitaciones mecánicas impiden el uso de estos encapsulados estándar, pueden construirse optoacopladores especiales con fuentes luminosas LED y detectores de silicio en cápsulas independientes, como indica la figura 2-86. Las secciones de detector de los optoacopladores varían en complejidad desde los simples fotodiodos, fototransistores y fototiristores (SCR) hasta los circuitos de conmutación, amplificadores o circuitos digitales. Además del puro aislamiento eléctrico, los optoacopladores pueden también efectuar ciertas operaciones sobre la señal de entrada, como amplificación lineal, acoplamiento digital o control de circuitos de potencia; por ejemplo, Triacs. Los optoacopladores permiten la realización de interfaces de aislamiento para circuitos lineales, circuitos digitales lógica -a- lógica, lógica -a- potencia, e incluso acoplamientos entre circuitos de potencia y lógicos, como sucede en los monitores de fuentes de alimentación. Ventajas Los optoacopladores ofrecen varias ventajas, además del aislamiento eléctrico de los circuitos; a menudo aislan también al usuario de los altos voltajes. Eliminan los circuitos a tierra de las fuentes de alimentación y otras interferencias de los circuitos de control sobre las cargas, y, a diferencia de los transformadores, evitan también que los ruidos y los transitorios producidos en las cargas se reflejen hacia los circuitos de control. Cuando sustituyen componentes electromecánicos, como relevadores e interruptores, los optoacopladores operan más rápidamente, sin rebotes, no requieren ajustes mecánicos y presentan una confiabilidad mucho mayor. 2-4c Parámetros de un optoacoplador

Potencia de salida radiada, intensidad radiada y sensibilidad luminosa (para fuentes y detectores en cápsulas independientes) El flujo radiado, o la potencia de salida radiada (ROP), medida en watts, se usa para especificar la salida de los LED infrarrojos. Las hojas de datos suelen definir este parámetro como flujo total radiado a cierta longitud de onda. La intensidad radiada expresa también la

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OPTOELECTR0NICA

salida infrarroja de un LED. Se mide en watt por estereorradián (w/st) y se define como el flujo a través de un ángulo sólido unitario. En transistores de silicio, la sensibilidad luminosa de corriente (símbolo Sceo) caracteriza la corriente producida en respuesta a la luz radiada sobre el detector. SK0 se define como la corriente que produce un flujo por unidad de área, y en las hojas de datos suele hablarse de microamperes producidos por miliwatts por centímetro cuadrado. La fuente de luz suele ser un emisor infrarrojo, con una longitud de onda pico determinada y/o una fuente luminosa de wolframio que opera a cierta temperatura de color dada. Corriente oscura (Símbolo: lce0 o lceo oscura) Se define como la corriente de salida en ausencia de fuente luminosa. En optoacopladores integrados se refiere a la corriente de salida del detector en ausencia de corriente de entrada al LED emisor. Llamada también corriente de fugas en algunas hojas de datos, esta corriente se debe a mecanismos internos de portadores de carga y debe ser considerada cuidadosamente en el análisis de casos más desfavorables. En optoacopladores con vías de transmisión de luz externas (por ejemplo sensores reflejantes o interruptores ópticos con ranuras), al analizar el caso más desfavorable para el circuito, hay que medir empíricamente la salida de corriente del detector en condiciones normales de luz ambiente manteniendo el LED sin excitar. Esta corriente debe ser lo suficientemente pequeña para no ocasionar la eventual activación del circuito. Razón de transferencia de corriente Se denomina así (símbolo CTR, normalmente expresado en tanto por ciento) al cociente entre la comente de salida del optoacoplador y la de entrada al LED. Las hojas de datos suelen dar diferentes valores para este parámetro, en función de las corrientes IF de entrada y en condiciones de salida conocidas (por ejemplo , un VCE determinado). En la figura 2-87 se da un ejemplo de estas curvas incluidas en las hojas de datos, mientras que en la figura 2-88 se ilustra una definición más detallada de este parámetro. Resistencia y voltaje de aislamiento Estos valores servirán para medir la capacidad de aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida de un optoacoplador. El voltaje de aislamiento, Viso , se define como aquel voltaje máximo que, aplicado V —

( a)

(b)

Figura 2-87 Curvas del factor de transferencia de corriente, (a) Esquema; (b) curvas.

2-4 OPTOACOPLADORES

2-75

Notas: 1. La eficiencia del LED es función de Ip, de la temperatura y del envejecimiento 2. La eficiencia del fotodetector es función de la corriente oscura, de la temperatura, del área fotosensible y de ia polarización 3. Lo ganancia es función de la polarización y de la temperatura.

Figura 2-88 Definición detallada del parámetro: razón de transferencia de corriente.

entre las terminales cortocircuitadas del LED de entrada y las terminales de salida, también cortocircuitadas, no produce circulación de corriente (por encima de cierto valor mínimo especificado en las condiciones de prueba) ni daña al dispositivo. Algunas hojas de datos indican dos valores de Viso, uno para "aislamiento transitorio", que se refiere a la aplicación de voltaje muy breve (1 segundo, por ejemplo), y otro relativo al aislamiento en régimen permanente, que se mide a partir de voltajes aplicados como mínimo durante 1 minuto por ejemplo. A veces las hojas de datos incluyen también el valor de la resistencia de aislamiento, en fi, especificando el voltaje a que se realiza su medida (500 V, por ejemplo).

Velocidad de conmutación y retardos de respuesta Estos parámetros describen el comportamiento dinámico de la salida del optoacoplador respecto de pulsos de corriente aplicados al LED de entrada. Las hojas de datos suelen especificar las condiciones en que se efectúan estas pruebas, y además indican las formas de onda que deben usarse e incluso el tipo de circuito de prueba. En la figura 2-89 puede verse el circuito de prueba para un optoacoplador tipo, el 4N35, cuyas curvas se indican en la figura 2-90. En ellas se definen los siguientes cuatro parámetros: retardo (td), tiempo de subida (tr), tiempo de almacenamiento (t s) y tiempo de bajada (tf). En algunas hojas de datos la suma de t d y tr se denomina ton mientras que la suma de ts y tf se denomina toff 2-4d Circuitos de aplicación

Interfaz lógica -a- lógica con los 6N138 y 6N139 En las figuras 2-91 y 292 pueden verse unos circuitos para acoplar dos sistemas lógicos eléctricamente aislados entre sí; uno de los montajes es inversor, mientras que el otro conserva la

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OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-92 Circuito de interfaz lógica-a-lógica tipo no inversor. polaridad de la señal de entrada. El voltaje de alimentación y el tipo de circuito lógico usado en la sección de entrada (TTL o CMOS) puede ser diferente del empleado en la parte de salida. En el montaje inversor, el valor de R, puede encontrarse así: (2-17)

2-4 OPTOACOPLADORES

2-77

Tabla 2-6 Valores de RF y RL para manejadores y receptores LED

*E1 valor de R1 no cambia si el circuito es inversor o no.

mientras que en el circuito no inversor:

donde VD D1 = voltaje de alimentación a la entrada VOH1 VOL1 = niveles de voltaje "1" y "0" de la lógica de manejo VF e IF = voltaje y corriente en polarización directa del LED interno del 6N138 En ambos circuitos la resistencia RL se calculará haciendo

donde VD D 2 IL VOLX

= voltaje de alimentación del circuito de salida = parte de la corriente de salida que pasa por RL = voltaje de saturación del transistor de salida del 6N138 cuando su corriente de colector es la suma de IL más la corriente de entrada del receptor lógico.

La tabla 2-6 indica los valores calculados de RF y R L para algunas combinaciones usuales de manejadores y receptores. Interfaz lógica -a- lógica con el MCL601, MCL611 En la figura 2-93 puede verse el esquema de un optoacoplador que incluye lo que podríamos llamar un detector de compuerta lógica. Los fotones inciden sobre un fotodiodo de alta

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OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-93 Esquemas del MCL60I y MCL611. velocidad conectado a un amplificador. Una vez amplificada, la señal detectada se aplica a un disparador Schmitt que mejora la inmunidad al ruido gracias a su alto nivel de disparo y su histéresis inherente. Por la parte de salida, este detector tiene un circuito normal de colector abierto, con la capacidad usual de manejo de corriente de salida. Las etapas adicionales del detector hacen que el MCL601 (MCL611) resulte muy atractivo para aplicaciones de recepción de línea con pares de conductores trenzados a velocidades de transmisión de datos hasta de 1 MHz. En la figura 2-94 pueden verse dos circuitos que permiten llevar la entrada LED del optoacoplador a conducción, con el manejador puesto en encendido ON O apagado oíT. En uno de ellos el LED de entrada recibe corriente cuando se activa el manejador lógico, mientras que en el segundo circuito el LED de entrada recibe corriente cuando este manejador está desactivado, gracias a la resistencia de amarre a positivo. Las entradas al acoplador no se especifican en términos de niveles ALTO o BAJO, como en el caso de las compuertas lógicas, sino que se habla de conectado ( ON) O desconectado (orr), según que circule o no corriente por el LED de entrada. Diremos, pues, que la entrada está conectada (ON) con nivel ALTO de entrada al manejador, como en la figura 2-94a, o con nivel BAJO de entrada al manejador, como en la figura 2-94b. Nosotros nos referiremos al tipo de conexión indicado en la figura 2-94b, en la cual un nivel BAJO para el manejador lógico -

MCL601 MCL601

- GND 1

(b)

GND 2

Figura 2-94 Conexión del optoacoplador al elemento de manejo, (a) Manejo positivo; (6) manejo positivo pasivo con elemento excitador que sólo puede "drenar" corriente.

2-4 OPTOACOPLADORES

2-79

Figura 2-95 Circuito de interfaz a través de un par de hilos trenzados.

Figura 2-96 Esquema del HCPL-2602.

primario produce un estado conductor (ON) del optoacoplador, mientras que el nivel ALTO corresponde a desconexión (OIF). La figura 2-95 muestra un circuito de interfaz con un par trenzado. Para lograr una correcta terminación de la línea se ha añadido un diodo externo a la entrada del optoacoplador. Interfaz lógica -a- lógica con el HCPL-2602 La figura 2-96 muestra un optoacoplador con terminación para línea. Gracias a ello, el HCPL-2602 resulta muy atractivo para aplicaciones en ambientes muy ruidosos en los que es muy importante el factor de rechazo de modo común y también la inmunidad al ruido diferencial. Además de suministrar la /, para el LED, la terminación de línea

Figura 2-97 Circuito de manejo sin inversión de polaridad.

2-80

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incluida en el circuito permite fijar el nivel de voltaje en la línea y regular la corriente del LED. Una entrada de 5 mA al optoacoplador producirá una corriente de salida equivalente a un abanico de salida TTL de 8, con tiempos de propagación típicos de entrada/salida de 45 ns. El optoacoplador en sí es capaz de manejar velocidades de datos de 10 Mbauds/s, pero la velocidad de transmisión puede verse afectada en definitiva por las posibilidades en alta frecuencia de la propia línea. En las figuras 2-97 a 2-99 se dan tres ejemplos de circuitos de manejo para líneas de transmisión. El último de ellos, un circuito con inversión de polaridad, usa dos 2602 y un ílip-flop para mejorar al máximo el rechazo de ruido y balancear los retardos de línea. El LED de entrada del primer 2602 conduce sobr-e una polaridad de la señal de manejo, mientras que el LED del segundo lo hace sobre la polaridad contraria. Interfaces para circuitos lineales En la figura 2-100 vemos el esquema de un optoacoplador sencillo, con un fotodetector simétrico bilateral de silicio. Los optoacopladores de esta familia, H11F, se comportan como transistores aislados ideales de efecto de campo (FET) y permiten controlar sin distorsión niveles bajos

Figura 2-98 Circuito de manejo con inversión de polaridad.

Figura 2-99 Circuito de manejo con inversión de polaridad y división de fase.

2-4 OPTOACOPLADORES

Figura 2-100 Esquema del optoacoplador FETHllF.

2-81

Figura 2-101 Circuito en el que se usa un optoacoplador como resistencia variable.

de señal tanto continua como alterna. La resistencia equivalente, en conducción, para señales alternas de bajo nivel es de unos 500 O, medida entre las terminales de salida del optoacoplador, y su comportamiento es perfectamente lineal, al 99% cuando menos. Utilizados como interruptores analógicos, estos acopladores presentan un voltaje de desbalance (offset) extremadamente bajo, pueden manejar señales de hasta 60 V de pico a pico y velocidades de conmutación relativamente altas, con tiempos de activación y desactivación inferiores a los 15 microsegundos. En la figura 2-101 vemos un optoacoplador H11F conectado como resistor variable del lado de entrada de un amplificador operacional. Con este circuito se tiene un control de ganancia estable de unos 70 dB usando una señal de control automático de ganancia, eléctricamente aislada, para manejar el LED de entrada con IF variable de 0 a 30 mA. La figura 2-102 muestra un optoacoplador H 1 1 F usado como interruptor analógico en un circuito de muestreo y retención. La salida del acoplador se "cierra" (esto es, pasa a un estado de baja resistencia), cuando circula corriente por el LED

Figura 2-102 Circuito en el que se usa un optoacoplador como interruptor analógico, (á) Esquema; (b) formas de onda.

2-82

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-103 Circuito con optoacoplador para control de potencia en media onda.

de entrada procedente de un circuito de control aislado. El intervalo de trabajo del circuito y su precisión resultan superiores a lo esperado de circuitos con interruptores FET corrientes, ya que el H 1 1 F no presenta fenómenos de inyección de carga por parte de la señal de control. En ese circuito el voltaje de entrada puede ser de cualquier polaridad, con magnitudes hasta de 30 V. Interfaces lógica -a- potencia Los optoacopladores provistos de fototiristores encuentran un amplio campo de aplicación cuando se necesita controlar cargas con altos voltajes de ca a partir de un circuito lógico de mando. El optoacoplador MCS2 de la figura 2-103 permite una conducción de media onda en una carga resistiva cuando la compuerta lógica proporciona IF. o LED de entrada. El resistor RGK mejora la inmunidad al ruido y la estabilidad térmica a altas temperaturas. El circuito de la figura 2-104 emplea un MCS6200 para obtener un control bidireccional de un pequeño motor de ce. Nótese que el optoacoplador MCS6200 tiene dos SCR, cada uno unido a un LED de entrada diferente. El estado del flip-flop de entrada al circuito determina que el LED de entrada reciba corriente. Los fotones

Figura 2-104 Uso de un optoacoplador para control del sentido de giro de un motor de cc

2-4 OPTOACOPLADORES

2-83

Figura 2-105 Esquema de los optoacopladores MOC3030 y MOC3031.

generados por el LED dispararán al SCR correspondiente, haciendo que el motor gire en uno u otro sentido según la polaridad de la corriente que circule por él. En la figura 2-105 puede verse el esquema de los optoacopladores tipo MOC3030 y MOC3031. El detector está conectado en ellos de modo que operan como interruptores bidireccionales (TRIAC) con detección de paso por cero. Una aplicación típica sería controlar un TRIAC de potencia externo conectado en serie con una carga de ca, a partir de una señal lógica de manejo, como se ve en la figura 2-106. El resistor de 39 O en serie con el capacitor de 0.01 PF forma una red de filtro destinada a reducir la dV/dt sobre el TRIAC de potencia, para evitar en lo posible disparos en falso. En algunos casos, según la carga y el tipo de TRIAC, estos componentes pasivos de protección tal vez no se necesiten. Interfaz potencia-a-lógica En muchas aplicaciones de control la sección lógica tiene que recibir información del estado de conexión o desconexión de la línea de alimentación de ca o de otras fuentes de ca. En la figura 2-107 se incluyen'diagramas generales y detallados del MID400, optoacoplador que puede realizar directa-

Figura 2-106 Uso de un optoacoplador para conmutar un TRIAC de potencia externo.

Figura 2-107 Esquemas del MID400. (a) Esquema eléctrico simplificado; (b) esquema detallado.,

2-4 OPTOACOPLADORES

2-85

Figura 2-108 Empleo del MID400 con un circuito externo para ajustar los retardos. mente este tipo de funciones. Por su parte de entrada los LED dispuestos espalda con espalda pueden conectarse directamente a la fuente de ca mediante un resistor serie de limitación de corriente. Por la parte de salida la terminal 8 se conecta a la alimentación Vcc (7 V máximo) y la terminal 6 entrega la señal de salida con una etapa de colector abierto. Esta salida, compatible TTL, permanece a nivel BAJO mientras la entrada a los LED supere los 4 mA rms. El tiempo de conmutación del amplificador del detector es largo, y esto es intencional para evitar cambios a la salida del MID400 durante los cruces por cero del voltaje de red alterna. El largo tiempo de conmutación hace que la salida del acoplador permanezca a nivel BAJO cuando falta corriente en los LED de entrada durante unos pocos milisegundos. Si la sección lógica que debe controlar al MID400 necesita retardos ajustables para la actividad y/o la desactivación, hay que añadir ciertos componentes externos, como se muestra en la figura 2-108. Las formas de onda de entrada y salida que se obtienen con ese circuito son las indicadas en la ñgura 2-109. La inclusión del 555 permite además aumentar la capacidad de corriente de salida del circuito.

2 0 m s /c m

Figura 2-109 Retardo a la activación y a la desactivación.

2-86

OPTOELECTRÓNICA

Figura 2-110 Circuito para vigilar un fusible con el MID400.

Un tipo de aplicación muy sencilla pero muy importante para el MID400 consiste en la vigilancia de fusibles o interruptores en la línea de alimentación de ca, como en la figura 2-110. Aquí la salida lógica del MID400 permanece en nivel ALTO mientras el fusible permanezca intacto o el interruptor esté cerrado, pero pasará a nivel BAJO si el fusible se funde o se acciona el interruptor automático. Esto lógicamente sólo se cumple si se mantiene el voltaje de alimentación de +5 V en la terminal 8 del circuito integrado. La indicación de salida del MID400 no tendrá ningún valor si falla la alimentación al acoplador cuando se interrumpe el suministro de ca. 2-5 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS En las páginas siguientes hemos incluido unas tablas donde resumimos información útil sobre visualizadores alfanuméricos, diodos electroluminiscentes (LED), indicadores de todo tipo y dispositivos optoacopladores.

2-5 TABLAS DE SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

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BIBLIOGRAFÍA Bylander, E. G.: Electronic Displays. McGraw-Hill, New York, 1979. Chappell, A., ed.: Optoelectronics: Theory and Practice. McGraw-Hill, New York, 1978. Gage, S. et al.: Optoelectronics Applications Manual. McGraw-Hill, New York, 1977. Kaufman. J. E., ed.: ÍES Handbook, Illumination Engineering Society, New York, 1972. Meister, D. et al.: Guide to Human Engineering Design for Visual Displays. Produced for the U.S. Navy by the Bunker-Ramo Corporation, Canoga Park, Calif., August 1969.

Capítulo

3

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI) Brian Cayton Marketing Manager Standard Microsystems Corp. Hauppauge, N.Y.

3-1 LA NECESIDAD DE PERIFÉRICOS LSI La revolución de los microprocesadores significó un profundo cambio de dirección en el diseño de sistemas. En lugar de construirlos con cientos o miles de circuitos integrados y lógica cableada, los sistemas pudieron reducirse a la combinación formada por unos cuantos programas y un microprocesador. Las razones del éxito de esta revolución fueron muchas pero se pueden resumir en dos puntos clave: la considerable disminución en el número de componentes y la facilidad, por lo menos en teoría, para efectuar cualquier cambio por medio de la programación. Incluso se vio que el propio microprocesador, con la ayuda de algunos componentes externos, podría controlar sus periféricos. Estos incluyen casi siempre: Teclados CRT (tubos de rayos catódicos) Visualizadores Discos Impresoras Entradas/salidas (E/S) serie Entradas/salidas (E/S) paralelo Unidades de cintas

3-2

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

El reto ha sido lograr que el microprocesador controle todos estos periféricos y le sobre tiempo para ejecutar los programas, que es su responsabilidad principal. Una segunda consideración, con respecto al uso del microprocesador para el control de los periféricos, es que en los sistemas de producción los cambios no son tan sencillos como parece. En la práctica, la programación puede resultar tan hermética como la lógica cableada. Finalmente, muchas de las funciones de control requeridas se encuentran más allá de la capacidad de la mayor parte de los microprocesadores, excepto para los de "rebanadas" de bits. El uso de estos últimos como controladores resulta poco práctico, por lo antieconómico, cuando se les compara con los controladores realizados con circuitos SSI/MSI. Muchos de los controladores LSI de hoy en día, como los UART, tienen la arquitectura de circuitos estándar SSI/MSI que surgieron paralelamente, o incluso antes, que los microprocesadores. Así pues, la revolución del microprocesador no originó otra revolución sino una evolución: la evolución de los periféricos. Esta evolución se refiere al papel del microprocesador como supervisor, en vez de realizador, de las tareas de control. Los propios controladores de periféricos pueden ser programables e inclusive pueden ser más rápidos y complejos que el microprocesador. 3-1a Glosario Los términos que se definen a continuación se refieren a este capítulo, donde se entenderán como sigue: ASCII: Es un acrónimo de "American Standard Code for Information Interchange". (Código estándar norteamericano para intercambios de información). ASCII es un código digital adoptado como norma para facilitar el intercambio de datos entre varios tipos de equipos de procesamiento y comunicación de datos. Atributos attributes: En el caso de los visualizadores de video, los atributos son las variaciones especiales que permiten resaltar o separar las palabras o los caracteres. Algunos atributos populares son el centelleo, subrayado, reducción de intensidad y video inverso. Baud: En comunicación de datos, unidad de velocidad de la señalización. Es igual al número de eventos de señal por segundo y se utiliza como medida del flujo de datos en serie. En el caso binario, la razón de bauds es igual al número de bits por segundo. Bit: Abreviatura de dígito binario, el bit es el elemento básico de datos de las computadoras y comunicaciones digitales. Un bit puede tener el valor de cero o de uno. Bus: Trayectoria sobre la cual se transfiere la información digital de una o varias fuentes a cualquiera de los destinos. Las fuentes y los destinos pueden encontrarse dentro o fuera de la computadora. Codificador de teclado keyboard encoder. Circuito integrado que convierte el cierre de un interruptor mecánico en códigos digitales.

3-1 LA NECESIDAD DE PERIFÉRICOS LSI

3-3

Compuerta de silicio silicon gate: Forma de tecnología MOS en la que la compuerta, o elemento de control, del transistor es de silicio policristalino fuertemente dopado. La tecnología de compuerta de silicio ofrece al usuario la ventaja de que los electrodos de compuerta están generalmente autoalineados con los electrodos de fuente y drenador, reduciendo con esto las capacitancias parásitas y mejorando la velocidad del circuito. Comunicación asincrona de datos asynchronous data Communications: La forma más popular de intercambio de datos entre computadoras y terminales remotas. La transmisión asincrona de datos es un método de transferir datos en el que la posición del carácter en el tiempo no resulta crítica cuando se conectan las líneas de comunicación. Cada carácter transferido es precedido por un bit de arranque y seguido por un bit de detención, lo que permite que varíe el intervalo entre los caracteres. Comunicación de datos data Communications: La comunicación de datos es un término muy amplio que se refiere a la comunicación de datos digitales de un punto a otro. Comunicación síncrona de datos synchronous data Communications: Método de transferir datos binarios entre el sistema de cómputo y un dispositivo periférico; los datos binarios son transferidos a una velocidad constante, estando sincronizados el transmisor y el receptor. Al principio de cada mensaje o bloque de datos se envían unos caracteres de control para sincronizar el flujo. Comunicaciones BYSYNC BYSYNC Communications: Comunicaciones síncronas binarias. Es una forma de comunicación síncrona de datos en la cual se usan diversos caracteres especiales de control para sincronizar el receptor con el transmisor. CRC: CRC significa verificación redundante cíclica; es un método de detección de errores que se usa para comprobar datos en serie transmitidos por enlaces de comunicación. Consiste en procesar los datos matemáticamente dividiéndolos entre un polinomio específico. CRC-16 CRC-CCITT son dos ejemplos de tales polinomios. CRT: Abreviatura para tubo de rayos catódicos, que es el tubo de imagen usado en las televisiones y terminales de computadora. Datos analógicos analog data: Representación eléctrica de la información en la cual los datos guardan una relación exactamente proporcional con la información real. Datos digitales digital data: Representación eléctrica de la información en la que la información se codifica en secuencias de elementos binarios o bits. Todas las computadoras modernas utilizan datos digitales. Además, los sistemas telefónicos también recurren cada vez más a la conversión de la voz analógica en datos digitales para mejorar la eficiencia de la comunicación. Disco flexible, disquete floppy disk: Disco flexible de plástico que se recubre con una capa magnética en la que se almacenan los datos. Generador de caracteres character generator: Utilizado con la mayor parte de los visualizadores e impresoras, el generador de caracteres (ROM) convierte los datos binarios que representan la dirección del carácter en la forma física del carácter.

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DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

Generador de ritmo de baud baud rate generator: Circuito integrado LSI usado para generar los relojes de recepción y de transmisión para los dispositivos de comunicación de datos. Gráficas graphics: Término utilizado con los visualizadores CRT para describir la representación de formas físicas, tales como mapas o gráficas, en la terminal de la computadora. Kilobit: Mil bits. LSI: Integración a gran escala. Se utiliza generalmente para definir circuitos integrados que contienen más de 100 elementos lógicos equivalentes en una sola pastilla. Microprocesador microprocessor: Un microprocesador es un solo circuito integrado que tiene todos los elementos de control de una computadora. La adición de elementos de memoria para el almacenamiento de programas convierte al microprocesador en una microcomputadora, literalmente una computadora integrada. Las calculadoras de bolsillo están fabricadas a base de versiones muy simples de estas microcomputadoras. MOS: Iniciales de semiconductor de óxido-metal, una tecnología de fabricación de circuitos integrados semiconductores que utiliza una capa delgada de óxido como aislante entre el elemento metálico de control, la compuerta, y el cuerpo semiconductor del transistor (interruptor). La .tecnología MOS permite procesar con costos relativamente bajos circuitos transistorizados muy complicados, dando lugar a que se realicen en forma económica funciones como microcomputadoras, microprocesadores, RAM, ROM y UART. MSI: Integración a mediana escala. Se utiliza generalmente, para definir circuitos integrados que contienen de 10 a 100 elementos lógicos equivalentes dentro de la pastilla. Multiplexado multiplexing: El multiplexado es una técnica que permite dividir un enlace de comunicaciones en dos o más canales. N-MOS: MOS de canal N. El flujo de corriente en los transistores MOS de canal N se debe al movimiento de los electrones, que son cargas negativas. La tecnología N-MOS permite la fabricación de circuitos integrados de alta densidad, alto rendimiento y bajo costo. Periféricos peripheral: Término general para designar diferentes tipos de equipo electrónico que operan en combinación con la computadora, pero que no forman parte física de ella. Los dispositivos periféricos se encargan típicamente de visualizar datos, almacenar datos de la computadora y regresárselos posteriormente cuando son requeridos, preparar los datos para uso humano, o adquirir datos de una fuente y convertirlos a una forma utilizable por la computadora. P-MOS: MOS de canal P. El flujo de corriente en los transistores MOS de canal P se debe al movimiento de los huecos, que son cargas positivas. Los P-MOS son la forma más antigua de tecnología MOS y se utilizan muy poco en la actualidad. PROM: Memoria programable de sólo lectura. Las PROM son memorias programables no volátiles. Una vez programadas, conservan los datos sin necesi-

3-1 LA NECESIDAD DE PERIFÉRICOS LSI

3-5

dad de permanecer alimentadas. Las PROM pueden ser programadas por el usuario, a diferencia de las ROM, que deben programarse durante la fabricación. RAM: Memoria de acceso aleatorio. Las RAM se utilizan típicamente como registro o almacenamiento temporal de datos en la computadora o sistema de microcomputación. Este tipo de memorias permite escribir o leer datos indistintamente, y por lo general pierden la información cuando se interrumpe la alimentación. Registro de corrimiento shift register. Tipo de memoria serie en la que los datos son recorridos a través de la pastilla (o el dispositivo) desde la entrada a la salida. ROM: Memoria de sólo lectura. Utilizada típicamente para almacenar programas o datos fijos, la ROM, a diferencia de la RAM, tiene los datos en ausencia de la alimentación. Las ROM son programables durante su fabricación y a diferencia de las EPROM no pueden programarse por el usuario. SDLC: El protocolo SDLC es una disciplina de líneas de comunicaciones asociada con la SNA (Arquitectura de Redes de Sistemas) de IBM que ofrece varias ventajas a los usuarios de redes de datos. El SDLC es el protocolo más reciente de IBM, e inicia, controla, verifica y termina los intercambios de información o líneas de comunicación. Está diseñado para operación dúplex en la que simultáneamente se envían y se reciben datos. SSI: Integración a pequeña escala. El término se aplica generalmente para definir a los circuitos integrados que contienen menos de 10 elementos lógicos equivalentes dentro de la pastilla. UART universal asynchronous receiver transmitter. Receptor/transmisor asincrono universal. Circuito integrado LSI utilizado para la comunicación asincrona de datos. USART universal synchronous-asynchronous receiver transmitter: Receptor/transmisor síncrono/asincrono universal. Circuito integrado LSI utilizado para la comunicación de datos tanto síncrona como asincrona. USRT (USYNRT) universal synchronous receiver/transmitter: Receptor/transmisor síncrono universal. Circuito integrado LSI utilizado en comunicación síncrona de datos. VDAC video display attributes controller. Controlador de atributos para pantalla de video. Circuito integrado LSI (fabricado por Standard Microsystems) que proporciona el generador de caracteres y los circuitos tanto de atributo como de gráficas para la pantalla de video en una sola pastilla. VLSI very large scale integration: Integración a muy gran escala. Un término relativamente nuevo utilizado para describir el nivel superior de densidad en circuitos integrados después de la LSI. El término se utiliza para definir los-circuitos integrados que contienen 1000 elementos lógicos equivalentes, o más, en una sola pastilla. VTAC video timer and controller. Controlador y temporizador de video en tubos de rayos catódicos. Circuito integrado LSI (fabricado por Standard Microsystems) que proporciona, en una sola pastilla, todas las señales de temporización y control para el tubo de rayos catódicos.

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3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS La comunicación de datos es un término muy amplio que define la transmisión (generalmente electrónica) de datos de un punto a otro. El término cubre todos los elementos utilizados en la transmisión de datos. Estos elementos son: Canales Modems Interfaces serie Procesadores de comunicaciones Configuraciones de enlace de datos Códigos de comunicación Protocolos Para asegurar que dos o más estaciones se están pasando los datos entre ellas en forma coherente es necesario establecer un conjunto de reglas que todas deberán seguir. Estas reglas, o protocolos, definen las características eléctricas, físicas y funcionales de los enlaces de comunicación. Para organizar los diferentes tipos de protocolos establecidos por los diversos comités de normas, se ha establecido una jerarquía de niveles. El nivel 1 contiene los intercambios físicos, eléctricos y funcionales para establecer el enlace físico con el equipo terminal. Ejemplos de normas del nivel 1 son la RS-232C y la RS449. El nivel 2 contiene los controles de enlace de datos, tal como el BISYNC (IBM), SDLC (IBM), DDCMP (DEC), ADCCP (ANSÍ). Los parámetros clave de estos protocolos de enlace de datos aparecen en la tabla 3-1. Nótese que estos controles se refieren a un solo enlace de datos. El nivel 3 establece los controles de trayectoria, o el formato y los procedimientos de control para las conexiones en una red. Estos controles incluyen los controles Tabla 3-1 Características de protocolos síncronos Protocolo Característica Síncrono/asincrono Dúplex Semidúplex Transparencia de datos Detección de error Cálculo de CRC Punto a punto Multipunto

DDCMP

BISYNC

SDLC

ADCCP

HDLC

Sí

No

No

No

No

Sí Sí Contador

No Sí Inserción de ceros (por carácter) CRC-16 Sólo texto

Sí Sí Inserción de ceros (por bit)

Sí Sí Sí Sí Inserción de Inserción de ceros (por bit) ceros (por bit)

CRC-CCITT Texto y encabezado Sí Sí

CRC-CCITT Texto y encabezado Sí Sí

CRC-16 Texto y encabezado Sí Sí

Sí Sí

CRC-CCITT Texto y encabezado Sí Sí

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

3-7

de ruta y de tráfico. Un ejemplo del nivel 3 es el protocolo del paquete de conmutación X.25 (CCITT). El nivel 4 es el control del sistema. Ejemplos de esto son DECNET (DEC) y SNA (arquitectura de redes de sistemas IBM). El nivel 5 y niveles superiores no han sido definidos con claridad. Un comité de ANSÍ estableció una jerarquía de cinco niveles en la que el quinto nivel se refería al control por el usuario. Otro de los comités de ANSÍ se pronunció por una jerarquía de seis niveles. La International Standardization Organization (ISO) ha establecido un protocolo de siete niveles. El propósito de esta sección es cubrir únicamente aquellas funciones pertinentes a los periféricos LSI, lo que corresponde esencialmente a los niveles 1 y 2. El formato más popular para la transmisión de datos es el asincrono. Este formato especifica que cada palabra (por lo general datos de cinco a ocho bits) debe estar precedida por un bit de arranque o un "espacio", definido como un 0 lógico y seguida por uno o más bits de detención o "marca" definido como un 1 lógico. Entre una palabra y la siguiente se transmiten marcas, o sea bits de detención, en forma continua. Ya que cada carácter está enmarcado por los bit de arranque y detención, el receptor se resincroniza a Cada palabra recibida, permitiendo intervalos diferentes de tiempo entre los caracteres. El formato del carácter se ilustra en la figura 3-1.

Figura 3-1 Formato síncrono de datos.

El dato se transmite empezando por el bit menos significativo (LSB), y acabando en el más significativo (MSB). El último bit de datos puede ir seguido por un bit de paridad, que es opcional, y la paridad puede ser impar o par. La longitud de la palabra de datos, la paridad, y el número mínimo de bits de detención permitidos entre las palabras (1,1 1/2 o 2) pueden variar de uno a otro sistema. También, puede hacerlo la velocidad de transmisión de bits, medida en bauds. Por esto, el dispositivo de comunicaciones para interfazar un microprocesador a un enlace asincrono de datos debe ser programable. 3-2a El UART

Uno de los primeros, y hasta ahora el dispositivo más popular asincrono de recepción-transmisión es el receptor/transmisor asincrono universal (UART). Este dispositivo combina un receptor y un transmisor independientes, cada uno con su propio bus de datos, puerto serie y reloj. La lógica de control que determina el número de bits de datos y si la paridad es impar o par (o si no hay paridad), es común a ambas, receptor y transmisor. Esta arquitectura permite operar en dúplex con velo-

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cidades de transmisión diferentes. La lógica que controla el número de bits de detención afecta únicamente al transmisor. Esto se debe a que el receptor sólo busca un bit de detención. Es el transmisor el que necesita conocer el número mínimo de bits de detención que debe insertar. La figura 3-2a muestra el diagrama de bloques del transmisor. Nótese que está diseñado para operar en forma de "reconocimiento e intercambio" (handshaking) con el microprocesador anfitrión. Los dos bloques constitutivos principales son el registro buffer del transmisor (registro almacenador) y el registro de corrimiento de paralelo a serie. Externamente se aplica una señal de reloj que por lo general tiene una frecuencia 16 veces mayor que la frecuencia requerida en bauds. Inicialmente, ya que el registro buffer del transmisor está vacío, la señal de registro de transmisión vacío está en nivel alto, indicándole al microprocesador que el transmisor está listo para

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

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recibir datos. Los datos se transmiten cuando se recibe un pulso de nivel bajo en la entrada de sondeo de datos (Data Strobe). El flanco anterior de dicho pulso carga los datos del bus al registro de transmisión. El flanco posterior causa la transferencia paralela de datos al registro de corrimiento, y la salida de éstos por desplazamiento serie en el registro. Ya que el registro de transmisión queda libre tan pronto como sucede la transferencia paralela, aun si el corrimiento serie de datos no termina, la salida "registro de transmisión vacío" vuelve a nivel alto, indicando que puede cargarse otra palabra. Ahora, si el registro de corrimiento serie no está libre, se retiene el- dato hasta que se completa el corrimiento del último bit de la palabra anterior, permitiendo luego el acceso de la nueva palabra al registro de corrimiento. El UART puede conectarse al microprocesador en una configuración interruptiva o en modo de escrutinio periódico. En el primer caso, la señal de "registro transmisor vacío" solicita una interrupción del microprocesador, quien la atiende cargando nuevos datos y enviando el pulso de control correspondiente. Si el microprocesador no envía estos nuevos datos el UART sigue marcando la línea (transmitiendo bits de detención) indefinidamente. Como el transmisor, el receptor también tiene un registro de corrimiento y un registro buffer como bloques fundamentales. Los datos son desplazados en forma serie en el registro de corrimiento serie-paralelo. Cuando se completa una palabra se transfiere al registro buffer de retención, quedando libre el registro de corrimiento para recibir la siguiente palabra. Cuando la palabra está disponible en el bus de datos, la señal de "dato disponible" sube a nivel alto y el registro de estados se carga con tres bits indicadores de error. El primero es el indicador de paridad y señala la recepción de un bit de paridad errónea. El indicador de error de cuadro (framing) señala la recepción de un bit 0 de detención. Finalmente, el indicador de desbordamiento (óverrun) señala que no se ha restablecido la señal de "dato disponible". Puesto que la entrada de restablecimiento de dicha señal se activa, por lo general, cuando se lee el dato, el indicador de desbordamiento normalmente señalará que se ha recibido una nueva palabra y se ha escrito encima de la que todavía estaba en el registro buffer. El atractivo de la comunicación asincrona radica en que el receptor y el transmisor pueden operar con relojes independientes. Para evitar la desviación de frecuencia y las fluctuaciones, y para proporcionar inmunidad al ruido, se utiliza un reloj con una frecuencia múltiplo exacto de la de datos, generalmente 16. Cuando el receptor detecta un bit de arranque por una transición de l-a-0 en la entrada serie, comienza a contar los pulsos de reloj. Después de ocho pulsos (nominalmente el centro del bit), se muestrea la entrada serie. Si se detecta un 0, se supone que el bit de arranque es válido. Si se detecta un 1, se supone que la primera transición era ruido, y el receptor es restablecido. Una vez detectado un bit válido de arranque, los datos se muestrean cada 16 pulsos de reloj. Algunos de los UART más recientes utilizan relojes de 32 o 64 veces la frecuencia de entrada de datos para incrementar la precisión del centro de muestreo, incrementando así los márgenes de distorsión de datos. La tabla 3-2 proporciona una guía de selección de los UART.

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Tabla 3-2 UART +5 V única? SMC

COM2017 COM2017H COM2502 COM2502H COM8017 COM8018 COM8502 COMÍ 893 AMI S1883 G.I. AY-5-1013 AY 3-1014 AY 3-1015 Harris HM 6402 HM 6403 Intersil IM 6402 IM 6403 SSS SCP 1854 T.I. TMS 6011 W.D. TR 1602 TR 1863

1 1/2

SB? X X

X

X X X

X X

X X

X X X

X X

X

X

X X X X

X X X X

X

X X

Máxima

¿Amarre

¿Margen de

frecuencia (en kbaud)

a positivo? X X X X X X X

distorsión mejorado?

25 40 25 40 40 40 40 40 12 40 30 30 125 125 125 125 100 12 40 62

¿Oscilador interno? Proces

X X

X X X

X X X

X X X

P P P P N N N N P P N N C C

c c cp p N

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

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3-2b ACIA De uso menos general que los UART son los dispositivos de comunicación con estructura de bus desarrollados por algunos fabricantes de microprocesadores. Estos dispositivos pueden facilitar en gran manera la conexión al microprocesador ya que su bus de datos y las señales de sincronización necesarias han sido diseñadas específicamente para ese microprocesador. Un ejemplo puede ser el adaptador interfaz de comunicaciones asincronas (ACIA). La figura 3-3 muestrea el diagrama de bloques típicos de este dispositivo. El ACIA (6850) está diseñado para conectarse directamente al bus del microprocesador 6800. Los buses de datos del transmisor y del receptor están multiplexados en el propio circuito integrado para permitir la conexión directa con el bus de datos del 6800. Los indicadores de estados y las líneas de control, también se multiplexan sobre el mismo bus. Para el microprocesador, el ACIA no es sino dos localidades/bidireccionales de memoria formadas una por el transmisor/receptor, y la segunda, por los registros de control/estado. La selección del registro se efectúa por medio de un bit de dirección conectado a la selección del registro (RS) y la señal de control de lectura/escritura (R/W). R/W

RS

0 1 0 1

0 0 1 1

Registro seleccionado Registro de control Registro de estados Registro de recepción de datos Registro de transmisión de datos

Además el ACIA dispone de tres entradas de selección que permiten elegir uno u otro circuito integrado en caso de conexión múltiple. El ACIA está diseñado para operar en modo interruptivo y dispone de una salida IRQ (solicitud de interrupción) con la que el ACIA indica cuándo requiere servicio. Además de las funciones del UART, el ACIA incluye las señales de control para modem RS232: Petición de envío (RTS), detección de portadora de datos (DCD), y listo para enviar (CTS). 3-2c Generadores de razón de bauds Los dispositivos descritos hasta ahora tienen un requisito importante en común: la necesidad de una señal de reloj. Aunque el reloj puede generarse con un oscilador de cristal y un divisor, las diferentes frecuencias de reloj, o razón de bauds, complican el diseño de estos divisores. Existen varios generadores de reloj en LSI llamados "Generadores de razón de bauds" que simplifican mucho esta tarea al proporcionar las diferentes frecuencias de reloj requeridas (véase la Tabla 3-3) a partir de un solo cristal.

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Tabla 3-3 Generadores d

razón de bauds National

SMC SMC SMC SMC COM5016 COM8I16 COM8136 COM8146 Oscilador incorporado Seguro para control de frecuencia Salida./, Salida /v/4 Salida /;/l6 Proceso Alimentaciones Lmpaque Dúplex

SMC COM8Ü46

MM 5307

Fairchild F 4702

Harris H 6405

Sí

Sí

Sí

Sí

Si

Si

Sí

Sí

Si No No No PMOS +5,+12 18 Sí

Sí No No No NMOS +5 IX Sí

Si No Sí No PMOS +5 18 Sí

Sí No Sí No NMOS +5 14 No

Sí Sí Sí Sí NMOS 45 16 No

No Sí No No PMOS +5-12 14 No

No Sí Sí No CMOS +5 16 No

No Sí Sí No CMOS +5 16 No

El generador de razón de bauds tipo 14411 proporciona simultáneamente todas las velocidades estándares. La velocidad requerida se selecciona luego externamente mediante la red lógica pertinente. El diagrama de bloques de este dispositivo aparece en la figura 3-4. Los generadores programables de razón de bauds sólo tienen una salida, que puede seleccionarse mediante una dirección de 4 o 5 bits. Esto elimina la lógica externa y permite que el propio microprocesador seleccione directamente la veloci-

Figura 3-4 Generador de ritmo de baud MC14411.

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

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dad de bauds. Existen generadores de razón de bauds programables que disponen de dos relojes de selección independiente, permitiendo la operación dúplex a frecuencias de transmisión y de recepción diferentes. Dos ejemplos de generadores de razón de bauds programables son el COM8126 y el COM8116 fabricados por la Standard Microsystems. La figura 3-5 muestra el diagrama de bloques del COM8116. Ejemplo 3-1 Diseño de una interfaz asincrona dúplex para microprocesador Se requiere una interfaz dúplex completa. La razón de bauds y los formatos de datos deben ser seleccionables por el microprocesador. Solución Utilizaremos un UART COM8017 y un generador de razón de bauds COM8116. Eligiendo estos componentes podemos usar una alimentación única de +5 y seleccionar 16 frecuencias diferentes de transmisión y recepción. Como se aprecia en la figura 3-6, los buses de datos del receptor y del transmisor están interconectados entre sí y a las entradas y salidas del registro de estados. La selección de registro y las diferentes señales de operación se obtienen mediante las direcciones. Las velocidades de transmisión y recepción se programan mediante el bus de datos. Si estas velocidades son fijas o alterables sólo ocasionalmente se pueden conectar las entradas del generador de razón de bauds a interruptores mecánicos en lugar de al bus de datos.

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3-2d Interfaz de datos síncrona Aunque de realización sencilla, los protocolos asincronos son ineficientes debido al "exceso" impuesto por los bits de arranque y detención para cada palabra. Para una palabra ASCII de 7 bits de datos, se requieren tres bits extra: paridad, arranque y detención. Aunque esto no constituye mayor problema a velocidades de transmisión bajas, las comunicaciones de datos en alta velocidad requieren eficiencias mayores, que sólo proporcionan los protocolos síncronos. Con los protocolos síncronos, el receptor obtiene la señal de reloj de los propios datos de entrada. Este reloj tiene la misma frecuencia que los datos. Los protocolos síncronos de comunicación de datos se dividen en dos categorías básicas: de carácter y de bit. En los protocolos controlados por caracteres, ciertos patrones de caracteres especifican el formato de los bloques del mensaje, las direcciones identificativas, el

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

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establecimiento o la terminación de un enlace, etc. En los protocolos controlados por bits hay un cierto número limitado de secuencias de bits que se refieren al control del enlace de datos. La posición dentro del marco es la que determina la función de la palabra. El protocolo más popular de control por carácter (CCP) es el BISYNC de IBM. En el BISYNC, la primera parte, o "campo" se define como "encabezado". Éste se introduce mediante una secuencia de bits conocida como inicio del encabezado (SOH) y contiene la dirección del receptor, el tipo de mensaje (control o datos), reconocimiento ("enterado") del mensaje anterior, y así sucesivamente. El encabezado termina con el carácter "inicio del texto" (STX). El texto puede tener longitud variable o puede omitirse en el caso de un mensaje de control. El carácter de "fin del texto" (ETX) termina el texto e introduce el carácter "de verificación de bloque" (BCC). La principal deficiencia de los CCP es su falta de transparencia. Si un bloque de datos numéricos contiene por ejemplo una secuencia de bits igual a la de ETX, el receptor empezará a buscar un carácter de verificación. Es necesario pues establecer procedimientos específicos de control para lograr la transparencia del mensaje. Los protocolos de bit son mucho más directos. El principio y el final de cada mensaje están siempre delimitados por un carácter de señalización que consta de un cero, 6 unos y otro cero. El primer campo de carácter que sigue a este indicador es una dirección, el siguiente un campo de control, luego uno de información y finalmente una secuencia de comprobación de marco. El último carácter transmitido vuelve a ser un indicador. En el SDLC de IBM tanto el control como las direcciones son de 8 bits. La información que realmente se transmite nunca contendrá la secuencia de 6 unos del indicador porque el controlador de protocolo del transmisor inserta automáticamente un cero cada vez que aparecen cinco unos consecutivos. El receptor, por su parte, ignora los ceros insertados por el receptor, lo que garantiza la integridad del mensaje. USRT Los primeros circuitos integrados receptores/transmisores síncronos fueron básicamente UART, modificados para operar en modo CCP síncrono. Ejemplos de ellos son SMC COM2601 y AMIS2350. La palabra de sincronización queda almacenada en un registro especial. Cuando el receptor detecta la secuencia de bits de sincronización se inicia la recepción de la primera palabra. El transmisor envía los datos del buffer de datos o del registro de sincronización según se lo ordene. Los USRT no son realmente controladores de comunicaciones; más bien son interfaces síncronas. USART Más recientes que el UART o el USRT, los transmisores/receptores síncronos/asincronos universales (USART) combinan un UART y un USRT con estructura de bus en un solo chip. Por lo general incluyen también controles para modem. La figura 3-7 muestra el USART 8251 (Intel, SMC, NEC, AMD). Pueden distinguirse siete bloques: control de receptor, registro de corrimiento de receptor,

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Figura 3-7 USART 8251. (a) Diagrama de bloques; (b) palabra de control para el modo asincrono, (c) palabra de control para el modo síncrono.

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

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control de transmisor, registro buffer de transmisor, registro de bus de datos, control de lectura/escritura, y control de modem. Al combinar los puertos paralelos de datos del transmisor y del receptor y la programación del registro de formato en un solo bus de datos de 8 bits, las 40 patas que se requieren para los UART y USRT se reducen a sólo 28 terminales. El control de datos y la información de estados se comunican al microprocesador por medio del bus de datos y se almacenan internamente en cinco registros: transmisión de datos, recepción de datos, modo, control y estado. Un detalle arquitectónico poco usual del 8251A es que, además de la selección de circuito (chip select), la única conexión al bus de direcciones es la terminal de control/datos. La secuencia de operación es la que dice al 8251A si la palabra de control se refiere a selección de modo, comando de sincronización o estado. En el modo asincrono, la operación es muy similar a la del UART, excepto porque las señales de "reconocimiento e intercambios" no poseen terminales propias sino que se efectúa mediante el registro de estados. El primer byte de control recibido después del restablecimiento es el control de modo que espetifica si la operación es síncrona o asincrona, y si es asincrona, el número de bits por palabra, y de bits de "detención" así como tipo de paridad. El modo síncrono, así como el asincrono, queda determinado por el byte de control de modo. Aquí el byte determina la polaridad de la salida SYNC DET. (detección síncrona) y el número de caracteres de sincronización requeridos para establecer la sincronización inicial en lugar de los bits de detención que no tienen caso ahora. La operación síncrona es algo más compleja que la asincrona. En transmisión, la salida serie permanece "alta" (marca) hasta que el USART recibe el primer carácter (generalmente un carácter de sincronización) del microprocesador. Al recibir una palabra de instrucción que habilita al transmisor y pone a nivel bajo la salida CTS (listo para enviar), se transmite el primer carácter en serie, a la frecuencia de reloj. Una vez. comenzada la transmisión, los protocolos síncronos de datos requieren que el tren de datos serie continúe a la frecuencia de reloj para no perder la sincronización. Si el microprocesador no suministra otro carácter antes de que el registro de transmisión del USART quede vacío, se insertará automáticamente en el tren de salida el (o los) carácter de sincronización cargado inmediatamente después de la instrucción de modo. Los caracteres de sincronización se insertan para llenar la línea y mantener la sincronización hasta que se disponga de nuevos caracteres de datos para la transmisión. Si el USART se queda vacío y tiene que enviad un carácter de sincronización, la salida "registro de transmisor vacío" pasa a nivel alto para señalar al microprocesador la situación. En la recepción síncrona, la sincronización de caracteres puede ser interna o externa. En el modo de sincronización interna el receptor entra en el modo de búsqueda {hunt mode) cuando se pone a uno el bit de búsqueda (EH) mediante una instrucción de comando. Los datos que llegan por la entrada serie se muestrean y se compara el contenido del buffer de recepción con el primer carácter de sincronización después de

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cargar hasta encontrar otro igual. Si se han programado dos caracteres sincrónicos, también se compara el siguiente carácter. Cuando se han detectado dos caracteres sincrónicos programados (contiguos) el USART abandona el modo de búsqueda y queda ya sincronizado. Si en la instrucción de modo se especifica el de sincronización externa, el USART se sincronizará cuando se aplique en la entrada de detección de sincronismo (SYNC DETECT) un "uno" durante un ciclo de reloj como mínimo. Los errores de paridad y de desbordamiento se tratan de la misma manera en el modo síncrono y el asincrono. Si no está en el modo de búsqueda, la paridad se verificará siempre, aunque el receptor no se encuentre habilitado. Los errores de marco no cuentan en el formato síncrono. El procesador puede ordenar al receptor que entre en el modo de búsqueda mediante un comando que ponga a uno el EH si se pierde la sincronización. En ese caso, el registro de datos recibidos se borra y queda en "unos".

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN OE DATOS

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Similares en muchos aspectos al 8251 A, el 2651 PCI (interfaz de comunicación programable) y el 2661 EPCI (interfaz de comunicación programable avanzada) combinan el USART con un generador de razón de bauds. Pueden operar en BISYNC transparente bajo control del carácter ASCII DLE. Si se reciben en secuencia los caracteres de control DLE y STX (inicio de texto), todos los patrones de bits subsecuentes, incluyendo los caracteres de control, son tratados como datos hasta la recepción del siguiente DLE. La figura 3-8 muestra el diagrama de bloques del 2651. El bus de datos y los registros de transmisor, receptor y de control son muy similares a los del 8251 A. El registro de control del modem también es muy similar, pero incluye la señal DCD (detección deportadora de datos). La variante más importante en el circuito es la inclusión del generador de razón de bauds. El 2651 y el 2661 son esencialmente compatibles en todo. El 2661 tiene algunas mejoras de programación y una temporización del bus de datos menos crítica. La tabla 3-4 proporciona una guía de selección de los USART. Ejemplo 3-2 Aplicación del 8251 (USART) con el microprocesador 8085 Diseñe un puerto de datos asincrono para un sistema terminal con un 8085. Tanto el transmisor como el receptor operarán a la misma velocidad, en el intervalo de 110 a 19 200 bauds. El puerto serie operará con el protocolo RS-232C. Solución Se selecciona para la función R/T un 8251, que se conecta directamente al bus de datos del 8085 y permite la adición posterior de la operación síncrona sin cambiar el hardware. Las velocidades de transmisión vendrán dadas por un generador de razón de bauds COM8046 que será programable mediante el microprocesador.

Tabla 3-4 USART

Número de terminales Número de alimentaciones ¿Diseñado para bus? ¿Generador de razón de bauds? Máxima frecuencia de transmisión Modos de autoprueba Controles de modem ¿Modo transparente? ¿Auto-eco? ¿Generación de CRC? Canales dúplex ¿JAM SINCR externo? ¿Dirección programable?

SMC,

SMC,

SMC,

SMC COMÍ 671

W.D. UC 1671

Intel 8251A

SIG 2651

SIG 2661

Zilog S10

40

40

28

28

28

40

3 No No 1 Mbaud Local

3 No No 1 Mbaud Local

1 No No 64 kbaud No tiene

6 Si Sí No 1 No Sí

1 Sí Sí 800 kbaud Local y remoto 5 Sí Sí No 1 Sí No

1 No Sólo Z80 880 kbaud No tiene

6 Si Si No 1 No Sí

1 Sí Sí 800 kbaud Local y remoto 5 Sí Sí No 1 No No

4

No No No 1 No No

4 No No Sí 2 No No

3-20

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Figura 3-9 Aplicación de la USART 8251 correspondiente al ejemplo 3-2.

3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

Figura 3-9 (Continuación)

3-21

3-22

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3-2 CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN DE DATOS

3-23

La salida del reloj de referencia del generador de razón de bauds COM8046 puede ser también una fuente conveniente para el reloj de temporización del 8155 (RAM E/S), y para el reloj maestro del 8251A. El circuito se muestra en la figura 3-9. El 8155 proporciona la RAM del sistema y dos puertos de E/S. Un puerto se utiliza para introducir datos del teclado, y el segundo para enclavar la velocidad seleccionada en el generador de razón de bauds COM8046. El COM8251A recibe el reloj de transmisión/recepción de la salida programable/o del COM8046 v el reloj maestro de la salida de referencia fx. Las señales de control del modem y la E/S van al conector del RS-232 a través de un amplificador 1488 RS-232 y un receptor RS-232 modelo 1489. La selección de control/datos se hace con la dirección AQ. La selección del circuito se obtiene con el decodificador 3-a-8 74LS5138 mediante los bits de dirección A12, A13, A14 y A15. En este sistema la dirección 9000H (hexadecimal) corresponde al registro de E/S para la transmisión y recepción de datos, y la dirección 9001H es una instrucción de modo/comando. 3-2e Dispositivos multiprotocolo de comunicación de datos Los dispositivos de comunicación de datos descritos hasta ahora tienen una propiedad en común: son primordialmente dispositivos de interfaz. Los receptores/transmisores síncronos multiprotocolo tienden más a ser controladores de enlace de datos, y presentan un grado mucho más elevado de complejidad. De manera similar al USART y al USRT, la función principal del receptor/ transmisor multiprotocolo es la conversión dé serie-a-paralelo y paralelo-a-serie, relevando al microprocesador de las demandas de alta-velocidad de la interfaz.

Figura 3-10 Patrón de barrido de un CRT.

3-24

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Además de la tarea principal, estos dispositivos se encargan de la inserción de bits requerida por el SDLC/HDLC, la detección y transmisión de banderas, la generación y verificación del CRC, y la generación y reconocimiento de la señal de ocioso. El Zilog "SIO" es actualmente el único dispositivo que incluye operación asincrona. La tabla 3-5 indica las características claves de algunos receptores/transmisores multiprotocolo populares. El COM5025 y el 2652 son totalmente compatibles, excepto por la terminal 1. En el COM5025, la terminal 1 es alimentación de +12 V; en el 2652 es un selector de circuito. Estos dispositivos son del orden de complejidad de un microprocesador, y resulta arduo (en software y hardware) diseñar circuitos con ellos. Para no ocupar la mayor parte de este capítulo en explicar sus secciones, se recomienda al usuario que consulte las especificaciones del fabricante.

3-3 CONTROLADORES DE CRT 3-3a El sistema de CRT La mayoría de las pantallas de video actuales utilizan una trama de exploración como la indicada en la figura 3-10 combinada con una modulación de intensidad. En este tipo de pantallas, el haz de electrones del CRT explora horizontal y verticalmente la pantalla del CRT en forma de zigzag para formar el llamado cuadro o trama. La frecuencia de barrido horizontal es de 15.720 kHz o más, contra 50 o 60 Hz de la vertical, por lo que aparecen en pantalla una serie de líneas horizontales. El número de líneas para el sistema descrito es la frecuencia horizontal dividida por la frecuencia vertical de 60 Hz, o sea 262 líneas. Los datos se representan mediante una matriz de puntos, como se puede apreciar en la figura 3-11, aumentando la intensidad del haz para formar un punto visible, o bien disminuyéndola para que no se vea el punto. La matriz de puntos contiene típicamente 5 X 7 puntos (5 puntos horizontales X 7 verticales) o bien 7 X 9. Como el barrido horizontal del CRT se realiza sobre una línea completa, esto significa que se explora el renglón superior de puntos de todos los caracteres de una línea antes de pasar al segundo renglón y así sucesivamente. La pantalla completa se barre en un sesentavo de segundo, y después el proceso comienza nuevamente. La relativa lentitud del ojo humano, junto con la persistencia del fósforo del CRT, permiten que el barrido se integre para parecer un cuadro inmóvil. De todos modos, como los datos se desvanecen en cuestión de milisegundos, se debe almacenar la página entera en memoria para poderla escribir sucesivamente en el tubo, función que se conoce como renovación de pantalla o de página. Obvio es que se necesita algún método para convertir las palabras de datos, en un código estándar como el ASCII, a la forma física del carácter. Esta función la ejecuta el generador de caracteres ROM. A continuación se enuncian las funciones requeridas para el control de un sistema de CRT.

3-3 CONTROLADORES DE CRT

3-25

Figura 3-11 Visualizador de matriz de puntos, (a) Primera línea del renglón de caracteres (b) segunda línea (c) tercera línea (el) novena línea.

1. 2. 3. 4.

Direccionamiento de la memoria para renovación de página. Supresión de traza en el retorno del haz. Generación de pulsos de sincronización vertical y horizontal. Direccionamiento de la línea de exploración para el generador de caracteres.

Existe otra función que no siempre incluyen los controladores de CRT; veámosla: La exploración continua de la pantalla no debe interrumpirse para no perder la sincronización. Como la exploración es continua, se debe disponer constantemente de los datos para poder reescribir cada carácter antes de que se desvanezca. El CRT requiere pues continuamente acceso a la memoria de renovación. ¿Cómo maneja entonces el sistema el direccionamiento de memoria para poder relacionar los datos con la localización deseada del carácter? Existen varios métodos, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. La forma más sencilla, típica de los "teletipos de cristal" es la de permitir al CRT, por medio del controlador, que gobierne completamente el direccionamiento de la RAM. La señal del cursor se utiliza entonces para indicar el bloque en curso

3-26

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de tal manera que la dirección de la página de memoria del controlador sea la misma que la localidad de la página de memoria que debe llenarse. Aunque este circuito es muy sencillo (Fig. 3-12), es de velocidad limitada. La trama puede tardar 16.6 ms en alcanzar una posición dada. Esto resulta en la práctica en un límite superior de velocidad de 600 bauds para la transmisión asincrona de datos de ocho bits. Para aumentar la velocidad la solución obvia es permitir al controlador del sistema (típicamente un microprocesador) hacerse cargo de la memoria cada vez que tenga que cargar datos en RAM. Esto, no obstante, resulta en un centelleo en la pantalla del CRT. Si este centelleo no es problemático para la aplicación especifica, el método resulta satisfactorio. Si la escritura de datos es poco frecuente, se puede borrar la pantalla durante la escritura. Esto sólo representaría un ligero aumento de complejidad en el circuito con la ventaja de que los cuadros en blanco serían prácticamente invisibles. Si hay que escribir muchos datos, el uso del apagador de la pantalla es más obvio y puede ser objetable. Hay, sin embargo, periodos durante los cuales la pantalla se borra a propósito, independientemente de los datos que entran. Estos periodos son los intervalos de retorno del haz en los que se borra la traza para ocultar el retroceso del barrido.

3-3 CONTROLADORES DE CRT

3-27

Típicamente un 20-25% de cada periodo de línea horizontal corresponde al retorno, así como un 5-10% del periodo vertical (o campo). Permitiendo el acceso a la página de memoria del sistema controlador durante estos intervalos, pueden escribirse datos en la memoria sin efecto visible alguno. Esto implica que el microprocesador debe ceder la prioridad al controlador del CRT cuando el microprocesador desee accesar la página de memoria durante el periodo activo de visualización. Esta pausa se logra fácilmente poniendo al microprocesador en un estado de espera hasta el siguiente ciclo de retorno de barrido aunque esto puede frenar un poco al microprocesador. Para manejar los datos aún más rápido puede recurrirse a un ciclo compartido, dejando la mitad del tiempo de ciclo del microprocesador para el propio microprocesador y la otra mitad al CRT. En los microprocesadores 6500 y 6800, por ejemplo, las direcciones se proporcionan durante 01 y los datos se examinan durante 02. Si el CRT direcciona la RAM durante 02, y lee los datos durante 01, el CRT y el microprocesador son mutuamente transparentes, esto es, no se interfieren entre sí. Este sistema tiene la desventaja de que necesita usar RAMs de doble velocidad que la estrictamente necesaria. Pueden también usarse otras técnicas que utilizan circuitos adicionales para transferir directamente datos del microprocesador a buffers de renglón con los cuales el controlador del CRT no tiene que direccionar una página de memoria, sino sólo una pequeña memoria o buffer de renglón. Durante el tiempo de retorno de barrido entre dos renglones de datos, el microprocesador permite la transferencia de datos desde la página de memoria a la memoria de renglón. Durante el tiempo de barrido horizontal el controlador del CRT toma directamente los datos del buffer de renglón. ¿Qué método es mejor? La respuesta depende de los requerimientos del sistema en cada caso. Si los datos se escriben con poca frecuencia, únicamente uno o dos caracteres a un tiempo, y el costo es la principal consideración, el simple borrado de la pantalla puede ser aceptable. Sin embargo, si es necesario mover bloques de datos, la pantalla permanecerá a oscuras por periodos inaceptablemente largos. En el lado opuesto del espectro, la técnica del ciclo compartido no permite interrupciones del microprocesador ni del visualizados Este método es el más laborioso en cuanto a circuitos. Los otros dos métodos de controlar el acceso a memoria son los más populares, el que utiliza buffers de renglón y el que emplea el intervalo de retorno de barrido. El método del buffer de renglón representa una carga constante para el microprocesador tanto si hay nuevos datos para visualizar como si no los hay. Esto no se debe a que el microprocesador tiene que dar servicio al buffer del CRT a cada renglón de datos. Sin embargo, esta tarea no se incrementa cuando es necesario manipular un bloque considerable de datos. La escritura de datos únicamente durante el retorno de barrido permite la independencia del procesador y del visualizador, excepto cuando se desplazan datos. En aplicaciones en que rara vez se actualizan los datos, y el costo es el factor principal, este método es el más popular.

3-28

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Atributos Además de representar datos, con frecuencia se desea que el visualizador permita destacar especialmente un carácter o una palabra. Esto se logra mediante los "atributos", entre los cuales se incluyen: Parpadeo: Hace parpadear un carácter o un campo de caracteres. Video inverso: El carácter o campo de caracteres aparecen obscuros sobre fondo brillante en vez de ser puntos de luz sobre el fondo obscuro. Subrayado: Traza una línea bajo el carácter o los caracteres. Media intensidad: Los caracteres aparecen con una intensidad reducida. Tachado: Traza una raya sobre un carácter no deseado. Borrado: Desaparecen ciertas palabras de pantalla. Este atributo se utiliza a menudo para "campos protegidos" de datos que no se desea sean visibles (claves, etc.). ¿Cómo se insertan estos atributos en los datos de video? Los dos métodos más populares de adicionar los atributos a la señal de video son el de "atributos incluidos" (también denominados "atributos de campo") y al de "atributos invisibles". Los atributos incluidos aprovecharon que el código ASCII usa palabras de 7bits, mientras que los microprocesadores usuales utilizan un bus de 8-bits. Cuando el octavo bit es bajo, los siete bits de menor orden definen un carácter. Cuando el octavo bit es alto, los siete bits de menor orden definen un atributo para todos los caracteres subsecuentes. El siguiente atributo "incluido" en el flujo de datos puede utilizarse para cancelar el anterior o agregar uno nuevo. Cada atributo enviado afecta pues a un campo completo de caracteres. Puesto que se deja de ver en pantal l a una palabra de memoria cada vez que se envía un atributo, aparece un espacio en blanco cada vez que se produce un cambio de atributos. Por esto, el campo mínimo para un atributo es una palabra completa, precedida y seguida por un espacio. Los atributos "invisibles" o de "carácter a carácter" se generan utilizando una memoria de más de ocho bits. Cada carácter (7 bits) irá entonces acompañado por su propia información de atributos (5 a 8 bits). Esta información se genera con facilidad en un microprocesador de 12 o 16 bits. Alternativamente, los atributos pueden decodificarse del flujo de datos y situarse en la parte de orden bajo o en la de orden alto de la palabra de datos. Veamos una falla común en el diseño de sistemas con atributos incluidos. Un campo de atributos, por ejemplo, de video inverso, se conecta en medio de un renglón de datos y se quita en medio del siguiente renglón de datos. Las palabras de atributos se insertan como corresponda: N XXXXX RV YYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYY Renglón 1 de datos YYYYYY N XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Renglón 2 de datos donde N define el comienzo del campo normal de caracteres y RV define el comienzo del campo de caracteres en video inverso. El primer renglón de datos aparece exactamente como se desea. Sin embargo, la primera línea de barrido en el segundo renglón de datos aparece con video inverso a la izquierda; todas las demás líneas de barrido del renglón de datos 2 aparecen con video normal de izquierda a derecha de la pantalla.

3-3 CONTROLADORES DE CRT

3-29

En este ejemplo, el diseñador ha olvidado que cada renglón de datos está formada por una serie de líneas de barrido. La N incluida en la segunda fila de datos borra el atributo, que permanece borrado cuando comienza la segunda línea de barrido. Las dos técnicas más comunes para evitar esta falla son: 1. 2.

Borrar automáticamente todos los atributos al comenzar una nueva fila de datos. Enclavar el atributo que aparece en la última línea de barrido de renglón de datos y reinsertarlo al comenzar el siguiente renglón de datos.

Gráficas A menudo se desea dibujar gráficas en la pantalla del visualizador de video, junto con los datos alfanuméricos. Es lo que se llama "visualizador gráfico". Las tres formas más populares de gráficas son las de "puntos", "ancha" y "fina" o gráficas de "líneas". En las "gráficas de puntos" la pantalla no se considera como, por ejemplo, 16 renglones de datos de 64 caracteres, sino como 256 renglones de 256 puntos. Cada punto, a su vez, es un bit de memoria. Las gráficas de puntos permiten una resolución elevada, pero son difíciles de combinar con datos alfanuméricos. Las "gráficas anchas" descomponen cada bloque de carácter en seis u ocho "pixels". Cada pixel es controlado por un bit de memoria como se representa en la figura 3-13a. Como este bloque puede ser un carácter estándar, obtenido por el generador de caracteres, o uno gráfico, es relativamente simple cambiar ambas cosas en pantalla. "Las gráficas de líneas" son para dibujar líneas delgadas en formatos de oficina, por ejemplo, aquí el controlador de visualizador permite seleccionar un cierto número de líneas, cada una controlada por un bit de memoria (véase la figura 313/;) Descripción del controlador de CRT El primer controlador de CRT disponible comercialmente y el más popular fue el 5027/5037 VTAC (controlador y temporizador de video), introducido por vez primera por Standard Microsystems y

Figura 3-13 Gráficas, (a) Gráficas anchas, (b) gráficas delgadas.

3-30

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suministrado ahora ya por otros fabricantes. El 5037 es idéntico al 5027, con la excepción de tener algunos modos adicionales de operación en la modalidad de entrelazado. El controlador de CRT 5027/5037, realiza el direccionamiento de los caracteres en el formato de renglón-columna, es decir, cada carácter es direccionado como una coordenada X-Y. Esto permite que el tratamiento de los caracteres sea igual en hardware y en software. El método alternativo es el de direccionamiento lineal en el que cada carácter se trata como número secuencial comenzando con el carácter 1. En el direccionamiento X-Y el primer carácter del segundo renglón de datos de un visualizador de ochenta columnas será direccionado por Y = 2, X =1. En direccionamiento lineal sería el carácter 81. Los registros se cargan desde el microprocesador o desde una PROM adicional para tener un control total del formato. Esto incluye características como el número de renglones, el número de caracteres por renglón de datos, espacios de sincronización, tiempos de borrado, márgenes, y dimensiones del bloqueo de caracteres. Una peculiaridad del 5027/5037 es que también puede "enrollar" la pantalla es decir, correr las líneas verticalmente hacia arriba y hacia abajo por medio de una simple instrucción. Esto se aplica para permitir la entrada de datos de otra página desplazando todas las líneas en pantalla y dando entrada a nuevos datos en el renglón inferior como sigue: Antes de enrollar

. Después de enrollar

Renglón 1 Renglón 2

Renglón 2 Renglón 3

Renglón 23 Renglón 24

Renglón 24 Renglón 1 (datos nuevos)

El controlador de CRT 6845 es muy similar al 5027/5037 con la diferencia principal de que utiliza direccionamiento RAM lineal binario en lugar del direccionamiento X-Y. Como el 5027/5037, el 6845 es programable en cuanto a tamaño de caracteres y formato de pantalla. Una versión mejorada del 6845, denominada el 6545, ha sido introducida recientemente. Esencialmente es un 6845 con capacidad de direccionamiento lineal o X-Y. El controlador 8275 representa un cambio radical respecto de los controladores ya mencionados pues está diseñado únicamente para operar como buffer de renglón. La figura 3-14 muestra el diagrama de bloques. El 8275 está diseñado para operar entre un controlador de DMA y el CRT, comunicándose a la vez con el microprocesador y el controlador de DMA. El 8275 no permite tanta flexibilidad de formato como los otros controladores descritos, pero posee en cambio la de codificación interna de los atributos visuales. Originalmente fabricando en Francia por Thomson-CSF, con Standard Microsystems en E.U., como segunda fuente, el controladar de CRT 96364 está diseñado para tener un mínimo de componentes y de costo, ambas cosas a expensas de la

3-3 CONTROLADORES DE CRT

3-31

limitación en la flexibilidad. El formato de la pantalla es fijo con 64 caracteres por renglón, y 16 renglones de datos. El 96364 cuenta con los controles de CRT ya mencionados, y además permite el control del cursor. Un decodificador externo o una PROM convierten los códigos de control ASCII al código de control del 96364. El 96364 permite cuatro movimientos del cursor y otras funciones, como retorno automático del cursor, retorno de línea (CR), avance de línea (LF), borrado de página y borrado de línea. Además, el 96364 coloca los datos que se le presentan directamente en la memoria durante los intervalos de retorno horizontal. La figura 3-15 muestra el circuito de una terminal con 17 circuitos integrados. Otro controlador de CRT no programable es el 8350, fabricado por National Semiconductor (véase la Fig. 3-16). A diferencia del 96364, el 8350 puede programarse por máscara durante su fabricación para diferentes formatos. También a diferencia de los otros controladores de CRT, el 8350 incorpora un oscilador de puntos de alta velocidad y un contador en el chip. Se requiere un microprocesador para el control de entrada de caracteres.

3-32

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En la tabla 3-6 hemos listado algunos controladores de CRT y sus características más notables. 3-3b Generadores de caracteres La conversión de los datos ASCII de la RAM de video de un sistema visuali/ador requiere: 1. 2. 3. 4.

Una ROM que genera la información ASCII en la de forma de carácter. Un registro de corrimiento para convertir a formato serie los datos de salida paralela de la ROM. Seguros (latches) de sincronización. Circuitos para gráficas y atributos.

Figura 3-16 Diagrama de bloques del controlador de CRT 8350.

3-34

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Tabla 3-6 Controladores de CRT SMC CRT 5027 CRT 5037

Mot. 6845

Natural DP 8350

Intel 8275

Sí Sí Sí Sí Sí

Sí Sí Sí Sí Sí

Sí Sí Sí Sí No

Sí

Sí

Sí

Sí Sí Sí Sí

Sí Sí No No Sí

Sí

Sí

Sí

Sí

Sí Sí No No Sí No Si

No No No No No No Sí

Programable: Caracteres por renglón Renglones por cuadro Barrido por renglón Barrido por cuadro Porche (frente) Ancho sincronía Contraportada Retardo de la sincr. Retardo del borrado Retardo del cursor Posición vertical de los datos Entrelazado/sin entrelazado 50-Hz/60 Hz Programado por medio de: Bus de datos del procesador ROM externa Opción máscara Enrollado: Línea a línea Multilínea Modo de página Modo ventana Compatible con TTL Modo de direccionamiento: Renglón/columna Lineal Velocidad: Contador de caracteres Contador de puntos Atributos Necesita control de DMA Buffers de renglón incorporados Registro de plumilla luminosa Compatible con RAM dinámica Alimentaciones Encapsulado

Sí Sí Sí Sí

Si Sí Sí

Sí

Sí

Sí Sí

No No

No No Sí

Sí No No

Sí Sí Sí No Sí

Sí Sí NoSí Sí

Sí Sí Sí Sí Sí

Sí Sí Sí Sí Sí

Sí No

No Sí

No Sí

No Sí

4 MHz

2.5 MHz N/A No No No

2..5 MHz 25 MHz

3.125 MHz

N/A No No No

No Sí +5.+ 12 40 terminales

No

No No No No Sí

N/A Sí Sí Sí Sí N/A

+5 40 terminales

+5 40 terminales

+5 40 terminales

Sí

Un circuito integrado generador de caracteres consta como mínimo de una ROM y puede no contener los otros elementos. El generador de caracteres 2513 (Signetics., G.I.) consta de una ROM de 2560 bits con cinco salidas. Este generador proporciona 64 caracteres en un visualizador de formato de 5 X 7. Es de bajo costo y existe en versiones para mayúsculas y minúsculas. Nótese que se necesitan dos 2513 para tener un generador de 128 caracteres completo. Sin embargo, para terminales baratas, suele ser suficiente un visualizador de 64 caracteres con sólo mayúsculas. El generador de caracteres 6670 (Motorola) es muy similar, excepto porque proporciona 128 caracteres. Un generador de caracteres superior al 6670, el 66700, proporciona 128 caracteres de 7 X 9 y un corrimiento interno que permite representar caracteres como las minúsculas "g", "y" que descienden por debajo de la línea.

3-3 CONTROLADORES DE CRT

3-35

El generador de caracteres puede contener el registro de corrimiento de video además del ROM. Dos ejemplos son el 8678 (National) y el SMC CRT 7004. El 8678 proporciona 64 caracteres de 7 X 9, mientras que el CRT 7004 proporciona 128 caracteres de 7 X 11. El 7 X 11 es un formato poco usual pero que permite escribir caracteres 7 X 9 aunque desciendan abajo de la línea. Los generadores de caracteres más recientes incluyen paquetes de seguros y circuitos para atributos y gráficas, en el chip del generador. Un ejemplo es el CRT 8002 (SMC, SSS), que incluye gráfica ancha y delgada, video inverso, borrado, parpadeo, subrayado y tachado en el mismo chip, así como 128 caracteres de 7 X 11. La figura 3-17 muestra un diagrama de bloques simplificado. Nótese que todos los datos que ingresan son resincronizados por la entrada de carga/corrimiento, que controla la entrada o salida de datos al 8002. La entrada de habilitación de atributos permite operar el 8002 con una memoria de 16 bits para atributos de caracteres y con una memoria de 8 bits para atributos incluidos. Ejemplo 3-3 Diseño de un controlador de video Diseñe un controlador de video para una terminal de edición de palabras. La velocidad máxima de datos es de 19.2 kbaud.

Entradas de datos/ direcciones Cursor —— Borrado del retorno de traza Habilitación de atributos Selección de modo 0 Selección de modo 1 Video inverso —Borrado de caracteresSubrayado Parpadeo Tachado

Reloj de puntos de video Cargar/ desplazai

D CP SRO

Registro de corrimiento 0 de 8 bits SR7

Figura 3-17 Diagrama de bloques del CRT 8002.

Video

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Solución Se requiere un gran número de decisiones de diseño para diseñar una terminal, todas relacionadas con el costo y la capacidad. La primera decisión es el formato del visualizador. En esta aplicación, un visualizador de 80 caracteres por renglón y 24 renglones parece ser buena elección por ser lo más usual para terminales medianas. Para optimizar la legibilidad y la forma de los caracteres es deseable disponer de gráficas y de atributos y elegiremos caracteres de 7 X 9 con minúsculas descendientes mejor que un formato de 5 X 7. Se pueden realizar los siguientes cálculos: 1. 2.

3.

4.

5. 6. 7.

La frecuencia de sincronización vertical = 60 Hz (la frecuencia de la línea). Cada carácter es de siete puntos de ancho. Para permitir el espaciamiento entre caracteres se selecciona un bloque de caracteres de nueve puntos de ancho, permitiendo un espacio a cada lado del carácter. Dejando márgenes izquierdo y derecho en pantalla, el tiempo por ren glón (tomando como unidad el tiempo requerido por un carácter) deberá tomarse un 25% arriba del número de caracteres, o sea 1.25 X 80= 100. El número de líneas de barrido por dato es 9 (basado en un carácter 7 X 9) + 2 (para los "rabitos" descendientes en los caracteres minúsculos) + 1 para el espacio entre renglones, o sea 12 en total. El número de líneas de barrido activas es pues 24 X 12 = 288. Además, dando un margen de 20 líneas de barrido para el retorno de la traza resultan 308 líneas de exploración en total. La frecuencia horizontal = 60 Hz X 308 = 1 8 400 Hz. La frecuencia de reloj de carácter = 18 400 Hz X 100 tiempos de carác ter por renglón = 1 840 000 Hz. El reloj de puntos = 1 840 kHz X 9 puntos por carácter = 16 560 kHz.

Como la velocidad de transmisión de 19.2 kbauds es compatible con la capacidad de la técnica de contención de memoria de dar entrada a los caracteres durante el borrado horizontal, este método nos parece la mejor opción teniendo en cuenta capacidad y costo. Cuando el microprocesador trata de direccionar un área de la RAM de video se baja la línea Ready del 8085, poniendo al microprocesador en un estado de espera al extender el ciclo de memoria hasta el siguiente retorno horizontal. Elegimos el 5037 como controlador del CRT ya que se acopla con el 8002 (generador de caracteres) para minimizar el número de partes. Para mantener la memoria en 8 bits de ancho (para reducir los costos) usaremos atributos incluidos. El atributo será borrado por programa al principio de cada barrido de línea. Como el 8002 tiene un enclavamiento de atributo interno, el atributo incluido se activa o borra por medio de su entrada de habilitación de atributo.

Figura 3-18 Controlador de video completo.

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Figura 3-18 (Continuación)

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Figura 3-18 (Continuación)

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3-40

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Los atributos se reconocen mediante el bit más significativo (MSB) de la palabra de datos; cuando está en alto, la palabra se reconoce como atributo. El circuito completo se presenta en la figura 3-18. 3-4 CONTROLADORES DE DISCO FLEXIBLE El disquete o disco flexible es una de las formas más prácticas de añadir memoria a un sistema basado en microprocesador, combinando el acceso aleatorio con una densidad relativamente alta. El disco flexible en sí es un disco recubierto de Mylar con un óxido magnético, y protegido con una funda delgada. La funda tiene una ranura radial para permitir que la cabeza de lectura/escritura haga contacto con el disco rotativo. El disco está formateado en pistas y sectores como se indica en la figura 3-19. Hay discos de tres tamaños: el normal de 8 pulgadas, el "minidisquete" de 5 1/4 pulgadas y el microdisquete de 3 1/2 pulgadas. Dados estos tres tamaños, existen dos formatos, el de "sector duro" y el de "sector blando". En el disco de sector duro, se hacen 32 perforaciones de sector. Estas perforaciones sirven para definir las fronteras del sector. En el disquete de sector blando no existen, y sólo hay una perforación de índice. El número de sectores lo define el usuario y la separación entre ellos es mediante espacios de grabación y encabezados. Aunque los discos de sector duro admiten más datos al no necesitar espacios de grabado y encabezados, la sectorización blanda permite la identificación inmediata de cada sector en el momento en que se lee el encabezado. El formato de sector blando ha tenido mejor aceptación y es más usual que el formato de sectorización dura. Inicialmente la mayor parte de los sistemas de disco graban un solo lado del disco (una cara) en un bit cada 4 /ns (densidad simple). Para incrementar la capacidad de almacenamiento en el disquete, se popularizó la grabación de densidad doble (un bit cada 2 ¿is), y la grabación de doble cara. Sin embargo, el sistema permanece en esencia igual por lo que pedagógicamente centraremos nuestra atención en el sistema de densidad simple.

Figura 3-19 Disco flexible.

3-4 CONTROLADORES DE DISCO FLEXIBLE

3-41

La secuencia que sigue el disco para escribir o para leer es la siguiente: 1. 2.

3. 4.

Motor en marcha. Una vez que gira ya el disco, se espera un segundo para que se estabilice la velocidad. Selección de dirección y avance Se selecciona la pista adecuada eligiendo la dirección en que debe moverse la cabeza, y haciéndola avanzar después paso a paso hasta la pista en cuestión. Para evitar que se escriba accidentalmente en el disco mientras se desplaza la cabeza se usa una compuerta de escritura. Carga de la cabeza Cuando se alcanza la pista buscada, se baja la cabeza contra el disco. Lectura/escritura del sector Una vez bajada la cabeza el controlador procede a leer los campos de identificación (ID), que separan los sectores, hasta que se alcanza el sector adecuado.

Para que los discos sean intercambiables hay que utilizar un formato estándar. Tanto el formato IBM 3740 de densidad simple como el Sistema IBM 34 (y 36) de doble densidad han alcanzado de hecho la posición de norma. Si se produce una variación de velocidad mientras se está reescribiendo un registro de datos dentro de un sector, ese registro puede quedar más largo físicamente y desbordar los límites anteriores. Para evitar los errores en los datos por este fenómeno, se dejan espacios para separar los registros entre sí, los campos ID de los campos de datos, y el índice de los datos. Se utilizan cuatro tipos de separaciones en los formatos compatibles con IBM: Espacio 1: El "espacio de índice" separa el índice de la identificación del primer registro en cada pista. Este espacio se identifica y define con 16 bytes de "FF" hexadecimal seguidos por cuatro bytes de "00".

3-42

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI) Tabla 3-7 Programación de la selección de registro A1

A0

Modo de lectura

0 0 1 1

0 1 0 1

Registro de estado Registro de pista Registro de sector Registro de datos

Modo de escritura Registro de comandos Registro de pista Registro de sector Registro de datos

Espacio 2: El "espacio de ID" separa el campo de identificación del registro de su campo de datos. Inicialmente, consta de seis bytes de "FF" hexadecimal seguidos por cuatro bytes de "00". La longitud de este espacio puede variar cuando se actualiza el archivo para absorber las variaciones de velocidad del disco. Espacio 3: El "espacio de datos" marca el final de un registro con 17 bytes de "FF" y 4 bytes de "00". Espacio 4: Éste se denomina "espacio de índice libre" y se incluye justamente antes de la perforación de índice. 3-4a Controlador/formateador de disco flexible 1791 La figura 3-20 muestra el diagrama de bloques del controlador de un disco flexible que utiliza el controlador 1791 (Western Digital, Synertek, Standard Microsystems). Las terminales del circuito integrado se dividen en dos grupos, el de interfaz con la computadora y el de interfaz con el disco. Del lado del microprocesador se utiliza un bus de datos de 8 bits para la transferencia de estados, control y datos. El tipo de palabra se programa por medio de Ao y A 1 , las líneas de selección de registro, como se aprecia en la tabla 3-7. Las salidas de solicitud de interrupción y de datos permiten la intercomunicación con el sistema de microprocesador en esquema interruptivo. La interfaz del disco flexible es más compleja, pero está orientada en torno a las entradas y salidas estándares de los discos comerciales. Veamos primero las entradas: Lectura de material y reloj de lectura: Son, respectivamente, los datos leídos y el reloj extraído del disco por un circuito separador de datos. Protección contra escritura: Se utiliza para inhibir la escritura en el disco del que ha sido retirada su etiqueta de protección contra escritura. halla en la escritura: Señala un problema de la unidad de impulso del disco que está impidiendo la correcta escritura de éste. Pulso índice: Se refiere a la marca del índice. Pista 00: Informa al controlador del disco flexible que la cabeza se encuentra sobre la pista 00. Listo: Señala al controlador que el disco se encuentra girando a su velocidad nominal.

3-5 CODIFICADORES DE TECLADO

3-43

Las salidas del controlador son: Compuerta de lectura: Señala que ha sido recibido un campo de ceros al final de un espacio de separación. Compuerta de escritura: Indica al controlador que debe realizarse un proceso de escritura. Atraso (late) y adelanto (early): Son señales para la "precompensación de escritura". Indican a la unidad de disco flexible cómo manejar el sesgo presente en el medio magnético de grabación con diferentes patrones de datos. Este sesgo se tiene en las pistas interiores del disco donde los bits se empacan más juntos (pistas 43 a la 76). TG 43: Se utiliza junto con escritura y adelanto para activar el circuito de la precompensación cuando se están escribiendo las pistas de la 43 a la 76. Escritura de dalos: Es la salida serie de datos para el disco. Dirección y avance: Proporcionan el avance de la cabeza y el control de la dirección. En este apartado hemos visto brevemente las funciones que realiza un controlador de disco. El diseño del sistema es bastante complejo y depende mucho de la unidad de impulso seleccionada y de los requerimientos del sistema. Recomendamos consultar las notas de aplicación de los fabricantes, tanto de circuitos integrados como de unidades de impulso para discos. 3-5 CODIFICADORES DE TECLADO En su forma básica, un teclado consiste en una matriz de interruptores. Cuando se desea incorporar un teclado a un sistema MPU se requieren las siguientes funciones: 1. 2. 3. 4.

Detección del cierre del contacto. Evitar los rebotes de contacto. Codificar la tecla oprimida. Opresión múltiple. Estas cuatro funciones las realiza el codificador de teclado LSI.

3-44

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

Figura 3-22 Cierres fantasma. La detección de cierre de contacto se logra casi siempre por el esquema de exploración del teclado. Con este método cada tecla queda identificada como una coordenada X-Y, como puede verse en la figura 3-21. Para explorar el teclado, el codificador presenta una serie de "salidas X" y tiene una serie de "entradas Y". Estas salidas y entradas se exploran secuencialmente, enviando un 1 lógico a través de las salidas X y buscándolo de regreso en cada

3-46

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

entrada Y. Cuando se examina una entrada Y y se encuentra un 1 lógico presente se lee el estado de los contadores X y Y. Un 1 lógico en Y2 cuando X2 está alto indica que se ha presionado una "S". Dado que las teclas mecánicas son ruidosas y pueden rebotar un buen número de veces después de activada la tecla, la mayor parte de los codificadores esperan un cierto tiempo superior al supuesto de rebote, y vuelven luego a verificar el cierre del contacto. Si aún está presionada la tecla se acepta como buena la entrada y se procesa. Una pregunta clave en el diseño del teclado es: ¿Qué se desea que ocurra si se pulsa una tecla estando ya pulsada otra previamente? Este problema de activaciones simultáneas recibe el nombre de opresión simultánea (roll-over). En los teclados alfanuméricos son muy populares dos métodos de control de opresión simultánea distintos. La llamada opresión simultánea de dos teclas inhibe la detección de un segundo cierre mientras se mantiene presionada una tecla. La mayoría de los métodos de opresión simultánea de dos teclas permiten la salida de datos de la segunda tecla si se mantiene presionada cuando se ha liberado ya la primera. Este método es de fácil realización pues basta con detener la exploración (barrido) XY mientras esté presionada una tecla y reiniciarlo posteriormente cuando se suelte la tecla. El método de opresión simultánea de N teclas permite la codificación de una segunda tecla, o bien una tercera, una cuarta, etc. mientras se mantenga pulsada la primera. La opresión simultánea de N teclas es preferible cuando se manejan velocidades elevadas de escritura. Sin embargo, puesto que un error en la opresión simultánea de N teclas resulta casi siempre en una entrada incorrecta de datos, mientras que la opresión simultánea de dos teclas generalmente produce la pérdida de una de las teclas, el de dos teclas suele ser preferible cuando tienen que introducirse gran número de datos numéricos. Es más fácil detectar un faltante que un error. Como la opresión simultánea de N teclas permite la opresión conjunta de dos o más teclas, deben tomarse precauciones para evitar "teclas fantasmas" (Fig. 3-22). El cierre simultáneo de las teclas 1, 2 y 3 crea una tecla fantasma entre X2 y Y3 por medio del circuito creado por la conexión de X, a Y¡ a X¡ a Y3. Este problema se soluciona al colocar diodos en serie con las teclas, como en la figura 3-23. En la tabla 3-8 hemos enlistado algunos circuitos integrados, codificadores de teclado, junto con sus características más notables. Ejemplo 3-4 Diseño de un codificador de teclado Diseñe un teclado de 76 teclas codificado en ASCII con la disposición que aparece en la figura 3-24. Es aceptable una opresión simultánea de dos teclas, ahorrándose con esto el costo de los diodos. Las especificaciones de contacto de las teclas fijan un rebote máximo de 4 ms. Solución Se selecciona un codificador ASCII KR3600-ST. La opresión simultánea es aquí programable a dos o N teclas mediante la terminal 4.

Figura 3-24 Disposición del teclado para el ejemplo 3-4.

3-48

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

3-5 CODIFICADORES DE TECLADO

3-49

3-50

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS DE INTEGRACIÓN A GRAN ESCALA (LSI)

Interruptor típico con opresión simultánea de dos teclas) X X

Figura 3-26 Codificador de teclado KR3600-Pro.

Elegimos una frecuencia de exploración nominal de 50 kHz, a medio camino entre los valores máximo y mínimo de exploración de teclas. Consultando la hoja de datos, un capacitor de 0.02 PF entre la terminal 31 y tierra resulta en un retardo de 6 ms, que es más que adecuado para compensar el rebote de tecla. La figura 3-25 ilustra el circuito completo. Una variante del codificador de teclado KR3600 o AY-5-3600 es el "pro", que en vez de producir código ASCII, entrega una salida secuencial binaria que puede manejar una PROM. Esto permite cambiar muy fácilmente la función de una tecla sin tener que recurrir a costosos cambios en el teclado o el programa de codificación. Este dispositivo aparece en la figura 3-26.

3-5 CODIFICADORES DE TECLADO

3-51

B IBLIOGRAFÍA Cayton, B.: "Interlaced Video Displays Utilize Low Cost CRT Controllers", EDN, Sept. 5, 1979, pp. 207-212. Hermán, M.: "Video Terminal Strips Down to 26 Chips", Electronic Design, May 24, 1980. Intel: Intel Component Data Catalog. Lancaster, D.: TV Typewriter Cookbook, Howard W. Sams, Indianapolis, Ind., 1976. Lesea, A., and R. Zaks: "Floppy Disk Controller Design Must Start With the Basics", EDN, May 20, 1978, pp. 129-137. ___ : Microprocessor Interfacing Techniques, Sybex, 1979. Motorola, M6800 Microprocessor Application Manual. National Semiconductor, "DP835O Series Programmable CRT Controllers", Santa Clara, Calif. Standard Microsystems, Standard Microsystems Data Catalog, Hauppauge, N.Y. Weissberger, A.J.: Data Communication Handbook, Signetics Corp. Western Digital, Western Digital Product Handbook.

Capítulo

4

CIRCUITOS DE INTERFAZ

Carrol Smith

Applications Engineer

Texas Instruments Corp. Dallas, Tex.

4-1 INTRODUCCIÓN El uso tan amplio de circuitos lógicos integrados, como los componentes TTL, MOS, y CMOS, en los sistemas de microprocesadores y microcomputadoras ha generado la necesidad creciente de circuitos de interfaz. Estos dispositivos toman los niveles bajos de voltaje y corriente de los puertos de salida de la computadora de otros circuitos de bajo nivel y los adaptan a los niveles mayores de voltaje y corriente propios de los circuitos periféricos como visualizadores, relevadores, lámparas e impresoras. Estos dispositivos de interfaz pueden ubicarse en varias categorías según su aplicación general. Estas categorías son: 1. 2. 3. 4.

Manejadores para periféricos. Circuitos de línea. Manejadores para visualizadores. Interfaz de memoria.

4-1 a Manejadores para periféricos Se podrían hacer circuitos de interfaz con transistores discretos que manejen las relativamente elevadas corrientes y voltajes de los circuitos periféricos. Por lo gene-

Tabla 4-1 Guia de selección para manejadores de periféricos Manejadores para periféricos con compuertas lógicas Voltaje de conmutación

Máxima corriente de salida

Retardo típico

Número de elementos en cada cápsula

Función de la compuerta lógica Diodos de amarre incluidos

Compuerta AND

Compuerta NAND

Compuerta OR

Compuerta NOR

15 V

300 mA

15 ns

2

-

SN75430 SN75431

SN75432

SN75433

SN75434

20 V

300 mA

21 ns

2

-

SN75450B SN75451B

SN75452B

SN75453B

SN75454B

300 mA

33 ns

2

—

SN75460 SN75461

SN75462

SN75463

SN75464

33 ns 300 ns 300 ns

24 2

SN75402 SN75437 SN75447

SN75403

SN75404

SN75448

SN75449

SN75472 SN75477

SN75473 SN75478

SN75474 SN75479

SN75412 SN75417

SN75413 SN75418

SN75414 SN75419

30 V 35 V 50 V

500 mA 700 mA 350 mA

Sí Sí

SN75401 SN75446

300 mA

33 ns 100 ns

2

Sí

SN75470 SN75471 SN75476

500 mA

33 ns 100 ns

2

Sí

SN75411 SN75416

55 V

Manejadores de periféricos sin compuertas lógicas Voltaje de conmutación

Máxima corriente de salida

Retardo típico

Número de elementos en cada cápsula

Diodos de amarre incluidos

500 ns

4

Sí Sí

35 V

1.5 A

50 V

500 mA

1 Ps

7

1.5 A

500 ns

4

500 mA

130 ns

7

60V

Números de los dispositivos

Sí Si Si Si

ULN2064 SN75064 ULN2074

ULN2066 SN75066 SN75074

ULN2068 SN75068 UDN2841

UDN2845

ULN2001A

ULN2002A

ULN2003A

ULN2004A

ULN2065 SN75065 ULN2075

ULN2067 SN75067 SN75075

ULN2069 SN75069

SN75466

SN75467

SN75468

SN75469

4-1 INTRODUCCIÓN

4-3

ral habría que añadir otros componentes, como resistores limitadores de corriente o diodos de amarre, en el caso de cargas inductivas. Los manejadores de periféricos suelen ser, sin embargo, circuitos integrados que generalmente contienen dos o más transistores capaces de manejar voltajes y corrientes grandes, con todos los resistores de limitación de corriente y de polarización necesarios para permitir la conexión directa del dispositivo a TTL, MOS, o CMOS con un mínimo de componentes externos. Además, algunos manejadores incluyen compuertas lógicas internas (AND, NAND, OR, NOR) que permiten realizar ciertas funciones lógicas en el propio circuito de interfaz. La tabla 4-1 muestra un resumen de algunos circuitos típicos de manejadores para periféricos. 4-1 b Circuitos de línea

Los circuitos de línea son un tipo de circuitos de interfaz diseñados para transmitir señales de información digital por diferentes líneas de transmisión. Los circuitos de línea son manejadores de línea, receptores de línea y transceptores. Los dispositivos pueden ser de uso general o bien estar destinados específicamente a cierto tipo de configuración normalizada de transmisión de datos. Las normas típicas de uso industrial son RS-232C, RS-422A, RS-423A, IEEE-488, IBM-360/370 y, recientemente, la EIA-RS-485. Una terminal típica de computadora puede contar con uno o más sistemas periféricos externos, como impresoras, etc. Es necesario establecer comunicación con estos periféricos, generalmente a corta distancia. En este tipo de aplicaciones se utilizan normalmente manejadores y receptores de un solo hilo. La norma RS-232C es la usada industrialmente por la EIA con transmisiones de un solo hilo a distancia corta, con velocidades reducidas de transmisión de datos. Las transmisiones de datos por líneas de un solo hilo pueden utilizarse también con distancias mayores. La norma industrial EIA RS-423A cubre una distancia máxima de 4000 pies a 1 kbit/s o bien 300 pies a 100 kbit/s. La norma indica también cuando se requiere conformar la señal, en función de la velocidad de transmisión de datos y de la longitud del cable, para controlar las reflexiones y la emisión radiada o la diafonía. Otra de las mejoras de la RS-423A es el requisito de salidas de alta impedancia, cuando no está alimentado el sistema, para evitar cargar la línea de transmisión. Uno de los problemas de la transmisión de datos a un solo hilo para grandes distancias y velocidades elevadas es la dificultad de distinguir entre una señal válida de datos y una no deseada introducida por el medio ambiente; por ejemplo, las derivaciones a tierra y el ruido. En el caso de distancias y velocidades de transmisión mayores puede recurrirse a la transmisión diferencial de datos para rechazar señales de tierra no deseada y ruidos de todo tipo. Las señales no deseadas aparecen como señales de modo común y son rechazadas por la entrada diferencial del receptor de línea y la salida del manejador diferencial.

Tabla 4-2 Resumen de especificaciones EIA para transmisión de datos Especificación

RS-232C

Modo de operación Un solo hilo Número de receptores y manejadores permitidos 1 Manejador/ para una sola línea 1 receptor Máxima longitud del cable 50 pies Máxima velocidad de transmisión 20 kbits/s Voltaje máximo aplicado a una salida de manejador ±25 V Señal de salida de manejador Con carga ±5 V Sin carga ±15 V Carga del manejador 3 a 7 k: Máxima corriente de salida del manejador (estado de alta impedancia) Con alimentación — Sin alimentación máx 1300 : Rapidez de variación máxima de salida 30 V/Ps máx Intervalo de voltaje de entrada al receptor ±15V Sensibilidad de entrada al receptor ±3 V Resistencia de entrada al receptor 3 a 7 k:

RS-423A

RS-422A

RS-485/P.N.1360

Un solo hilo 1 Manejador/ 10 receptores 4000 pies 100 kbits/s +6 V

Diferencial 1 Manejador/ 10 receptores 4000 pies 10 Mbits/s —0.25 a 6 V

Diferencial 32 Manejadores/ 32 receptores 4000 pies 10 Mbits/s —7 a 12 V

±3.6 V ±6 V 450 : min

±2 V ±5 V 100 :

±1.5 V ±5 V 54 :

— ±100 PA Existen controles ±12 V ±200 mV 4k:mín

— ±100 PA — — 7 V a+7 V ±200 mV 4 k: mín

±100 PA ±100 PA — -7Va+12V ±200 mV 12 k: mín

4-1 INTRODUCCIÓN

4-5

La selección de los manejadores y receptores de línea adecuados es función de varias variables. Éstas son: 1. 2. 3. 4. 5.

Longitud de la línea. Impedancia característica de la línea. Velocidad de transmisión. Requerimientos de un solo hilo o diferenciales (dos hilos). Niveles lógicos; por ejemplo TTL normal, RS-232C, etc.

La tabla 4-2 resume las diferentes especificaciones adoptadas por la EIA para la transmisión de datos, y la tabla 4-3 resume los circuitos de línea fabricados por Texas Instruments (TI) en las aplicaciones de propósito general o de acuerdo con las normas EIA. La descripción de estos circuitos de línea, así como de las normas industriales actuales, se verán en la sección 4-3. Se dan ejemplos de aplicaciones típicas a fin de ayudar al diseñador a hacer la selección adecuada para su sistema. 4-1 c Manejadores de visualizadores Existen hoy día cinco tipos básicos de visualizadores, y cada uno de ellos tiene sus propios requisitos de manejo. En la mayor parte de los casos, el manejador es una interfaz con una microcomputadora en circuito integrado (microprocesador), los puertos de salida de un microprocesador o con otros sistemas lógicos digitales, y suministra los niveles pertinentes de corriente y voltaje requeridos por el tipo de visualizador usado. Los cinco tipos más comunes de visualizador son: 1. 2. 3. 4. 5.

Diodos emisores de luz visible (LED visible, VLED). Visualizadores fluorescentes al vacío. Plasma en cc o descarga gaseosa. Plasma en ca. Cristal líquido (LCD).

La tabla 4-4 resume las diferencias básicas en cuanto a los requisitos de manejo de estos visualizadores. Las cifras indicadas son sólo relativas ya que las magnitudes exactas dependen de muchos factores, entre ellos la altura del carácter, número de dígitos, tipo de manejo (continuo o multiplexado) y numérico o alfanumérico. En la sección 4-4 se verán algunas aplicaciones comunes que ejemplifican los dispositivos y técnicas de control de visualizadores. 4-1 d Amplificadores sensores Las memorias de núcleo de ferrita se utilizan todavía en algunas aplicaciones que requieren memoria no volátil (es decir, persistente en ausencia de alimentación). Los amplificadores sensores detectan las señales de entrada diferenciales bipolares del núcleo de la memoria y proporcionan la interfaz entre los núcleos y la sección

4-6

CIRCUITOS DE INTERFAZ

4-1 INTRODUCCIÓN

4-7

4-8

CIRCUITOS DE INTERFAZ

Tabla 4-4 Tecnologías de visualizadores Visualizador LED Fluorescente Plasma de cc Plasma de ca Cristal líquido

Voltaje

Corriente

Bajo 1.8-3.0 V Alto 30-60 V Muy alto 100 V Muy alto 100 V Bajo 3-5 V

Alto 1-100 mA Bajo