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Programando microcontroladores PIC con Protón

PROGRAMANDO MICROCONTROLADORES PIC CON PROTÓN PARTE 2: EL MICROCONTROLADOR PIC. Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: • Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso). • Memoria RAM para Contener los datos. • Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. • Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. • Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores • Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.). • Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas: • Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo. • Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes. • Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks. • Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones. El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller).

Diferencia entre microprocesador y microcontrolador. Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación. Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496)

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Programando microcontroladores PIC con Protón

El microcontrolador es un sistema cerrado. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.

Aplicaciones de los microcontroladores. Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado o producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, frig televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496))

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Programando microcontroladores PIC con Protón coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.

Arquitectura básica Aunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica de Von Neumann, en el momento presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de Von on Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses uses único (direcciones, datos y control). La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes, independientes una que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias

La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes para datos y para instrucciones, permitiendo accesos simultáneos.

Los microcontroladores PIC responden a la arquitectura Harvard.

Partes Básicas del Microcontrolador El procesador o UCP Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado. Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales. Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496))

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

Memoria En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos. Según el tipo de memoria ROM que dispongan los microcontroladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado. 1º. ROM con máscara Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades. 2ª. OTP El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura “programable una sola vez” por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido.

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496)

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Programando microcontroladores PIC con Protón 3ª EPROM Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico. 4ª EEPROM Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan “grabadores en circuito” que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta. 5ª FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que a EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados “en circuito”, es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este tipo de memoria incorporado al control del motor de un automóvil permite que pueda modificarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas piezas, etc. La reprogramación del microcontrolador puede convertirse en una labor rutinaria dentro de la puesta a punto.

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496)

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Programando microcontroladores PIC con Protón El Oscilador Externo Todo microcontrolador necesita de un circuito externo que le indique la velocidad a la que debe trabajar. Este circuito se conoce como oscilador o reloj, es muy simple pero de vital importancia para el buen funcionamiento del sistema. Pueden usarse cuatro tipos de cristales dependiendo del microcontrolador: • • • •

RC: Oscilador con resistencia y condensador. XT: Cristal de Cuarzo. HS: Cristal de Alta velocidad. LP: Cristal de baja frecuencia y bajo consumo de potencia.

La frecuencia de trabajo para el microcontrolador, debe ser especificada al momento de programarlo, ya que si no se se tiene cuidado con esto, y se conecta un oscilador de frecuencia diferente a la especificada, el microcontrolador no funcionará adecuadamente o simplemente no hará nada. El dispositivo más utilizado es el Cristal de Cuarzo, ya sea de alta o baja velocidad, el cristal debe ir acompañado por dos condensadores como se muestra a continuación:

Reset En los microcontroladores se requiere un pin de Reset para reiniciar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario, ya sea por una falla que se presente o porque el sistema requiere ser construido así. El pin de Reset en los PIC es llamado MCLR (Master Clear). El Reset por MCLR se consigue llevando momentáneamente este pin a un estado lógico bajo, cuando se quiere tener control sobre el Reset del sistema se puede conectar un botón, como se muestra a continuación:

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496))

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Puertas de Entrada y Salida La principal utilidad de los l pines que posee la cápsula que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores. Según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, microc las líneas de E/S se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control. Vamos a empezar con el microcontrolador PIC más conocido, el 16F84A, éste es un microcontrolador que tiene dos puertos.

Un total de 18 pines, 2 pines de alimentación, un pin de Reset, dos pines para el oscilador, y 13 3 pines de E/S.

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496))

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Puertos del Microcontrolador Dependiendo del dispositivo seleccionado, se puede tener diferentes puertos, el PIC 16F84A tiene 2 puertos, Puerto A y Puerto B. Puerto A.Es un puerto bidireccional de 5 bits, como se mencionó anteriormente, se puede acudir al explorador de código de Protón IDE con el fin de ver como está estructurado, en el siguiente cuadro, se muestran los bits, pines y nombres del puerto A. Nombre RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0CKI

Bit Bit0 – LSB Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 – MSB

Buffer TTL TTL TTL TTL ST

Función Entrada/Salida Entrada/Salida Entrada/Salida Entrada/Salida Entrada/Salida o entrada de reloj externo para TMR0. Es colector abierto cuando se usa como salida

ST= Estrada Schmitt Trigger. Puerto B.Es un puerto bidireccional de 8 bits, de la misma forma que con el puerto A, se puede hacer click en el puerto B en el explorador de código para ver su estructura, a continuación se muestra detalladamente los pines y bits de este puerto. Nombre RB0/INT

Bit Bit0 – LSB

Buffer TTL/ST (1)

RB1

Bit1

TTL

RB2

Bit2

TTL

RB3

Bit3

TTL

RB4

Bit4

TTL

RB5

Bit5

TTL

RB6

Bit6

TTL/ST(2)

RB7

Bit7 – MSB

TTL/ST(2)

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496)

Función Entrada/Salida o Interrupción Externa. Resistencia de Pull-up programable por software Entrada/Salida. Resistencia de Pull-up programable por software Entrada/Salida. Resistencia de Pull-up programable por software Entrada/Salida. Resistencia de Pull-up programable por software Entrada/Salida (con interrupción en cambio). Resistencia de Pull-up programable por software Entrada/Salida (con interrupción en cambio). Resistencia de Pull-up programable por software Entrada/Salida (con interrupción en cambio). Resistencia de Pull-up programable por software. Reloj para programación serial. Entrada/Salida (con interrupción en cambio). Resistencia de Pull-up programable por software. Datos para programación serial.

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Programando microcontroladores PIC con Protón REGISTROS TRIS Y PORT Para empezar, lo más básico, es conocer sobre los registros TRIS y PORT, estos registros poseen la mayoría de los PIC, generalmente a partir de la serie 16F, los PIC de la serie 10F y 12F, no poseen estos registros. Existe más de un registro TRIS y PORT en un microcontrolador, siempre se acompaña con la letra correspondiente al puerto que se va a configurar. El registro TRIS es un registro de dirección de datos, en tanto que el registro PORT lee los estados en los pines del puerto específico. El registro PORT, tendrá un determinado número de bits, dependiendo del puerto, como se mostró en las tablas anteriores. Para configurar un puerto determinado, se debe utilizar el registro TRIS, seguido del puerto que se quiere configurar, por ejemplo configurando TRISB bit (=1) configurará el pin correspondiente del registro PORTB como entrada, si se configura el TRISB bit (=0) establecerá al pin correspondiente del registro PORTB como salida. Ejemplo: TRISB.0=1 esto produce que el pin del PORTB.0 (Pin 33) se configure como entrada. También se puede configurar todo el puerto, haciéndolo de la siguiente manera: TRISB= %11110000 (MSB11110000LSB) El símbolo “%” indica que se está trabajando con un número binario, cada uno de los números, corresponde a un bit del PORTB, el MSB es el de la derecha y el LSB el de la izquierda, así los pines del PORTB quedarán configurados de la siguiente forma: BIT PORTB.0 PORTB.1 PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7

ESTADO Salida Salida Salida Salida Entrada Entrada Entrada Entrada

PIN 33 LSB 34 35 36 37 38 39 40 MSB

Se puede configurar el con las entradas o salidas necesarias, puede ser todo el puerto como salida, todo el puerto como entrada o individualmente entradas y salidas.

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496)

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Programando microcontroladores PIC con Protón En el siguiente ejemplo se muestra como configurar todo el puerto como salida y asignar un valor a sus bits: TRISB=0 (0 en decimal corresponde a %00000000 por lo tanto todos los bits del puesto son salidas) PORTB=15 Cuando el puerto ha sido configurado se le puede asignar un valor determinado, ya sea en decimal, binario (%) o hexadecimal ($), ese valor que se le asigne se lo podrá observar en cada uno de los pines, así por lo tanto si se asigna el: DEC: 15 BIN: %00001111 HEX: $0F Los estados de los pines quedarán de la siguiente forma:

BIT ESTADO PIN PORTB.0 ALTO 33 LSB PORTB.1 ALTO 34 PORTB.2 ALTO 35 PORTB.3 ALTO 36 PORTB.4 BAJO 37 PORTB.5 BAJO 38 PORTB.6 BAJO 39 PORTB.7 BAJO 40 MSB

Ing. Giovanni Lafebre J. (Cel: 096376496)

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