FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA
ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA DE ALARMAS UTILIZANDO
PROTOCOLO RS485 Y TECNOLOGÍA GSM
PARA LOS PABELLONES DE LA UNIVERSIDAD
NACIONAL DE PIURA”
TESIS
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL
DE: INGENIERO ELECTRÓNICO Y
TELECOMUNICACIONES
ESPINO AGUIRRE - HEBERT EDUARDO GARCIA ELESPURU - MARYLIN CHRISPIURA – PERÚ
2010
PROTOCOLO RS485 Y TECNOLOGÍA GSM
PARA LOS PABELLONES DE LA UNIVERSIDAD
NACIONAL DE PIURA”
TESIS PRESENTADA A LA FACULTAD DE CIENCIAS COMO REQUISITO PARA OPTAR EL TÍTULO DE:
ING. ELECTRÓNICO Y TELECOMUNICACIONES
APROBADA POR: JURADO:
PIURA – PERÚ
2010
________________________________ ESPINO AGUIRRE HEBERT EDUARDO
EJECUTOR
_______________________________ GARCÍA ELESPURU MARYLIN CHRIS
EJECUTOR
_______________________________ ING. EDUARDO AVILA REGALADO
PRESIDENTE
________________________________ ING. OMAR BARRA ZAPATA
SECRETARIO
________________________________ ING. CARLOS ARELLANO RAMIREZ
VOCAL ______________________________
MSc. JUAN M. JACINTO SANDOVAL ASESOR
INTRODUCCIÓN
A medida que el tiempo pasa, el hombre ha logrado ingeniar sistemas que faciliten nuestro estilo de vida y para bien de nosotros, estos cambios han ido ocurriendo, en el área que más aporta a conseguir este objetivo; que es precisamente la Electrónica.
Con el desarrollo de la tecnología, tanto el software como el hardware avanzan, los dispositivos electrónicos son cada vez mas sofisticado y tienden a la miniaturización, además cada vez mas, a los sensores se les dota de inteligencia. Los sistemas de alarma, son parte de ésta tecnología, son parte de la electrónica y juegan un papel muy importante en la seguridad, ya sea en casas domésticas, oficinas, instituciones, etc. Justamente nuestra Universidad Nacional de Piura, es una institución, y como tal es vulnerable a los robos, gran problema, ya que sustraen equipos muy útilies para los alumnos. Tal vez un sencillo Sistema de Alarmas, puede ayudarnos a solucionar este problema, pues, se trata de estudiar bien las zonas y las formas de transmitir señales, para hacer un buen diseño y posteriormente una buena implementación.
Dentro de tantos diseños de circuitos basados en Sistemas Embebidos; hemos escogido desarrollar una aplicación con Microcontroladores, asimismo tomando referencias de las Redes Industriales, incluimos Comunicación RS-485, y por ultimo; acorde a la vanguardia de la Tecnología, la Aplicación del Servicio GSM hace de este proyecto un diseño interesante puesto que el Teléfono Celular se ha convertido en un aparato que siempre se tiene al alcance de la mano, y así podemos “ tener el control de la seguridad en nuestras manos”.
RESUMEN
Este proyecto consiste en desarrollar una central de mando (Tarjeta que consta de un PIC conectado a un Celular), que monitorea de manera autónoma las Estaciones (Tarjetas que constan de un PIC que recibe las señales de los sensores que comanda), y todas estas se comunican entre si mediante una red tipo Bus capaz de transferir datos de manera bidireccional (RS-485 ).
Cada Estación es autónoma, independientemente de la central, es decir si se dispara una alarma en un pabellón, se disparará la alarma, sistema audible, pero no se enviará un mensaje al celular, ya que esta función se realiza, cuando hay comunicación con la tarjeta central. Se pueden colocar sensores del tipo on off, de acuerdo a las necesidades de cada pabellón.
La central, recibe, via comunicación RS485, el estado actual de las alarmas. En caso de que reciba el disparo de una alarma, ésta enviará un mensaje de texto al teléfono celular o celulares del personal de seguridad encargados del respectivo edificio. Opcionalmente la central estará conectada a una computadora personal, donde se ha instalado un software de monitoreo que permitirá visualizar el estado de los sensores del Sistema de seguridad.
INDICE
INTRODUCCIÓN ... 3
INTRODUCCIÓN ... 4
RESUMEN ... 5
CAPITULO I ... 10
DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA ... 10
1.1. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA ... 11
1.2. ANTECEDENTES ... 11 1.3. OBJETIVO GENERAL ... 13 1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 1.5. HIPÓTESIS ... 14 1.6. VARIABLES ... 14 CAPITULO II ... 15
MARCO TEORICO CONCEPTUAL ... 15
2.1 MICROCONTROLADORES ... 16
2.1.1QUEESUNMICROCONTROLADOR ... 16
2.1.2DIFERENCIAENTREMICROPROCESADORYMICROCONTROLADOR ... 17
2.1.3ARQUITECTURAINTERNA ... 19
2.1.4ELPROCESADOR ... 20
2.1.5MEMORIA DE PROGRAMA ... 21
2.1.6ROM CON MÁSCARA ... 22
2.1.7EPROM ... 22
2.1.8OTP(PROGRAMABLE UNA VEZ) ... 22
2.1.9EEPROM ... 22
2.1.10FLASH ... 23
2.1.11MEMORIA DE DATOS ... 23
2.1.12LÍNEAS DE E/S PARA LOS CONTROLADORES DE PERIFÉRICOS ... 24
2.1.13RECURSOSESPECIALES ... 24
2.1.14TEMPORIZADORES O "TIMERS" ... 25
2.1.15PERRO GUARDIÁN O "WATCHDOG" ... 25
2.1.16PROTECCIÓN ANTE FALLO DE ALIMENTACIÓN O "BROWNOUT" ... 26
2.1.17ESTADO DE REPOSO Ó DE BAJO CONSUMO... 26
2.1.19CONVERSOR D/A(CDA) ... 27
2.1.20COMPARADOR ANALÓGICO ... 27
2.1.21MODULADOR DE ANCHURA DE IMPULSOS O PWM ... 27
2.1.22PUERTAS DE E/S DIGITALES ... 27
2.1.23PUERTAS DE COMUNICACIÓN ... 28
2.1.24HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE APLICACIONES. ... 28
2.1.25ENSAMBLADOR. ... 29
2.1.26COMPILADOR. ... 29
2.1.27SIMULADOR. ... 29
2.1.28PLACAS DEEVALUACIÓN. ... 30
2.1.29EMULADORES EN CIRCUITO. ... 30
2.1.30LAFAMILIA DELOSPIC. ... 30
2.1.31LAS GAMAS DE PIC... 32
2.1.31.1 La gama enana: PIC12C(F)XXX de 8 patitas ... 32
2.1.31.2 Gama baja o básica: PIC16C5X con instrucciones de 12 bits. ... 34
2.1.31.3 Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits ... 36
2.1.31.4 Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits. ... 38
2.2 SENSORES ... 39
2.2.1CARACTERÍSTICASDELOSSENSORES ... 39
2.2.2RESOLUCIÓNYPRECISIÓN ... 40 2.2.3PROTOCOLOSDECOMUNICACIÓNRS485 ... 41 2.2.4PRINCIPALESCARACTERISTICAS ... 43 2.2.5APLICACIONES ... 43 2.3 COMUNICACIÓN RS232 ... 44 2.3.1CONECTOR RS-232(DB-9 HEMBRA). ... 45 2.3.2CONSTRUCCIÓNFISICA ... 45
2.3.3CARACTERÍSTICASELÉCTRICASDECADACIRCUITO ... 48
2.4 CELULARES ... 49
2.4.1FUNCIONAMIENTO ... 50
2.4.2EVOLUCIÓNYCONVERGENCIATECNOLÓGICA ... 51
2.4.3COMANDOSAT ... 52
2.4.4COMANDOSUTILIZADOS ... 52
2.4.4.1 Configuración tipo SMS: ... 52
2.4.4.2 Configuración aviso SMS. ... 53
2.4.4.3 Lectura del Número del Centro de Mensajes. ... 53
2.4.4.4 Envío de mensajes. ... 53
2.5 SERVICIO DE MENSAJES CORTOS - SMS... 53
CAPITULO III ... 55
METODOLOGÍA ... 55
3.1 SISTEMA DE SENSORES ... 56
3.1.1DETECTORES DE MOVIMIENTO (PIR) ... 57
3.1.2DETECTORESMAGNÉTICOS ... 58
3.1.3DETECTORES DE ROTURA DE CRISTALES ... 58
3.1.4BARRERAS INFRARROJAS ... 59
3.2 ELECCION DEL MICROCONTROLADOR ... 61
3.2.1PRINCIPALESCARACTERÍSTICASDELPIC16F84: ... 61
3.2.2PRINCIPALESCARACTERÍSTICASDELPIC16F877 ... 64
3.3 DISEÑO DEL HARDWARE ... 65
3.3.1DESCRIPCIONDELPUERTODECOMUNICACIÓNYCABLESDECONEXIÓN DELCELULAR ... 65
3.3.3CIRCUITODELACENTRAL ... 67
3.4 DISEÑO DEL SOFTWARE... 70
3.5 LIMITACIONES DEL PROYECTO ... 76
CAPITULO IV ... 78 RESULTADOS OBTENIDOS ... 78 4.1 RESULTADOS OBTENIDOS ... 79 CAPITULO V ... 81 CONCLUSIONES ... 81 5.1 CONCLUSIONES ... 82 CAPITULO VI ... 83 BIBLIOGRAFÍA ... 83 6.1 BIBLIOGRAFÍA ... 84 LIBROS ... 84 PÁGINAS DE INTERNET ... 85 ANEXOS ... 87 INDICE DE TABLAS ... 88
INDICE DE ILUSTRACIONES O FIGURAS ... 89
DATASHET MAX485 ... 91
DATASHET RS232 ... 98
DATASHET PIC16F877 ... 106
COMANDO AT ... 114
DETECTOR DE MOVIMIENTO PIR PARA ILUMINACIÓN ... 121
SENSOR DE MOVIMIENTO PIR ... 125
SENSOR MAGNÉTICO PARA APLICACIÓN ... 126
SENSOR MAGNÉTICO DE CONTROL DE LA ALINEACIÓN DE LA PUERTA ... 128
DETECTOR DE ROTURA DE CRISTALES X10 S110530 ... 130
PROGRAMAS ... 131
CODIGOENMICROCODEDELATARJETADEADQUISICIÓNOMASTER... 131
CAPITULO I
DELIMITACIÓN DEL
PROBLEMA
1.1. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA
El desarrollo del presente proyecto es aplicable a toda la infraestructura de la UNP, pero para efectos de Investigación, Implementación y Demostración; éste se delimita en tres pabellones y sus áreas siguientes:
Estación 1: Pabellón de laboratorios de la Esc. Prof. Ing. Electrónica y Telecomunicaciones.
Zonas a Proteger:
Zona 1: Acceso al 2° piso (Escaleras)
Zona 2: Almacén de Equipos (debe ser totalmente restringido durante la noche).
Estación 2: Pabellón de la Facultad de Ciencias.
Zonas a Proteger:
Zona 1: Acceso al 2° piso (Escaleras)
Zona 2: Oficinas administrtivas (debe ser totalmente restringido durante la noche).
Estación 3: Pabellón de aulas de la facultad de Educación.
Zonas a Proteger:
Zona 1: Acceso al 2° piso y 3° piso (Escaleras)
Zona 2: Centro de Cómputo (debe ser totalmente restringido durante la noche).
1.2. ANTECEDENTES
Existen sistemas de alarmas, incluso en nuestra localidad, pero estas, están hechas para trabajar a cortas distancias, los sensores están directamente colocados al panel central y además son comerciales.
Para citar algunos ejemplos tenemos:
- La conocida empresa de Seguridad PROSEGUR, a través de su service ORUS, ofrece una variedad de Sistemas de Alarmas , tanto domesticas como empresariales que poseen en común la interconexión de estaciones y envío de alertas a una central .
- La empresa CODIGO ROJO, por su parte ofrece un sistema parecido que consta de sensores infrarrojos, sensores e contacto o magnéticos, panel de control e interconectado y monitoreado desde su central telefónica por un costo de instalación de $ 219.00 dólares y el mantenimiento del servicio es de $ 23.80 dólares mensuales por zona.
En cuanto a Investigación académica, entre los trabajos similares a este anteproyecto de tesis se encontraron:
- El trabajo desarrollado por Araque M. Raúl, en el cual presenta de forma general una de las tendencias tecnológicas en el área de control, como lo es la de los Chips o procesadores Neurón. Estos procesadores constituyen la parte esencial de los Nodos Neurón que tienen un papel muy importante en lo que a Edificios Inteligentes se refiere, ya que permiten la integración de distintos subsistemas y aplicaciones rompiendo así con los esquemas anteriores de control centralizado y de tipo jerárquico que caracterizaban a las redes de control .
- La tesis: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE MONITOREO REMOTO DE CONTAMINACIÓN AMBIENTAL
UTILIZANDO TECNOLOGÍA GSM.1
Autores: Estrada Jimenez, Juan Carlos y Reinoso Chisaguano, Diego Javier
Fecha de publicación: Febrero 2009. Ecuador.
En este proyecto se desarrolla un sistema que permite monitorear gases de contaminación atmosférica a través de un prototipo que realiza mediciones de forma automática, el cual utiliza un sistema microprocesador para adquirir los datos de
sensores de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), temperatura y humedad. Los datos adquiridos son enviados en forma de SMS, a través de un teléfono celular, a una aplicación de monitoreo. Esta aplicación recibe los datos, los almacena y permite visualizarlos en forma de gráficas o reportes. Se presentan las pruebas de funcionamiento realizadas en ambiente indoor y ambiente outdoor. Los anexos incluyen las características técnicas de los sensores, comandos AT para el envío de SMS, el código fuente del microcontrolador y el manual de usuario de la aplicación.
1.3. OBJETIVO GENERAL
Proporcionar una solución en el planeamiento de un Sistema de Alarmas aplicado para seguridad en los pabellones de la Universidad Nacional de Piura, utilizando protocolo de comunicación RS485 y tecnología GSM.
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Realizar un acercamiento al complejo, cambiante y en ocasiones, difuso mundo de los sistemas de supervisión y control de alarmas.
b) Proponer para la implementación de las estaciones, el uso de Microcontroladores PIC, por su variedad de aplicaciones, una de ellas: el enlace con la Tecnología Celular mediante los comandos AT
c) Obtener una respuesta casi inmediata de parte del sistema de alarmas ante la ocurrencia de un evento, es decir lograr tiempo de respuesta: 500 mseg.
1.5. HIPÓTESIS
La aplicación de un sistema de alarmas, utilizando protocolo de comunicación RS485 y tecnología GSM, contribuirá con la disminución de los robos de bienes en la Universidad Nacional de Piura.
1.6. VARIABLES
Variables Independientes: Sistema de alarmas
Variable Dependiente: Seguridad de los pabellones de ciencias de la UNP.
CAPITULO II
MARCO TEORICO
CONCEPTUAL
2.1 MICROCONTROLADORES2
2.1.1 QUE ES UN MICROCONTROLADOR
Es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Esta última característica es la que le confiere la denominación de «controlador incrustado» (embedded controller).
El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar, y todos los recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender sus requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada.
Un microcontrolador es un computador completo, aunque de limitadas prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado y se destina a gobernar una sola tarea.
El número de productos que funcionan en base a uno o varios microcontroladores aumenta de forma exponencial. No es aventurado pronosticar que en el siglo XXI habrá pocos elementos que carezcan de microcontrolador. En esta línea de prospección del futuro, la empresa Dataquest calcula que en cada hogar americano existirán varios centenares de Microcontroladores en los comienzos del tercer milenio. La industria Informática acapara gran parte de los microcontroladores que se fabrican. Casi todos los periféricos del computador, desde el ratón o el teclado hasta la impresora, son regulados por el programa de un microcontrolador.
Los electrodomésticos de línea blanca (lavadoras, hornos, lavavajillas, etc.) y de línea marrón (televisores, vídeos, aparatos musicales, etc.)
incorporan numerosos microcontroladores. Igualmente, los sistemas de supervisión, vigilancia y alarma en los edificios utilizan estos chips. También se emplean para optimizar el rendimiento de ascensores, calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc.
2.1.2 DIFERENCIA ENTRE MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR
El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta. Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine.
Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios.
Un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de prestaciones limitadas que no se pueden modificar.
Figura 2.1. 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.
Figura 2.2. El microcontrolador en un sistema cerrado. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que
gobiernan los periféricos.
Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de
microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxilares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar.
2.1.3 ARQUITECTURA INTERNA
Un microcontrolador posee todos los componentes de un computador, pero con unas características fijas que no pueden alterarse.
Las partes principales de un microcontrolador son:
1. Procesador
2. Memoria no volátil para contener el programa
3. Memoria de lectura y escritura para guardar los datos 4. Líneas de E/S para los controladores de periféricos:
a) Comunicación paralelo b) Comunicación serie
c) Diversas puertas de comunicación (bus l2C, USB, etc.) 5. Recursos auxiliares:
a) Circuito de reloj b) Temporizadores
c) Perro Guardíán («watchdog») d) Conversores AD y DA
e) Comparadores analógicos
f) Protección ante fallos de la alimentación g) Estado de reposo o de bajo consumo
A continuación se pasa revista a las características más representativas de cada uno de los componentes del microcontrolador.
2.1.4 EL PROCESADOR
La necesidad de conseguir elevados rendimientos en el procesamiento de las instrucciones ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann. Esta última se caracterizaba porque la UCP (Unidad Central de Proceso) se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses.
Figura 2.3. En la arquitectura de «von Neumann» la UCP se comunicaba a través de un sistema de buses con la Memoria, donde se guardaban las instrucciones y los
datos.
En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos. También la capacidad de cada memoria es diferente.
Figura 2.4. En la arquitectura «Harvard» la memoria de instrucciones y la de datos son independientes, lo que permite optimizar sus características y propiciar el paralelismo. En la figura, la memoria de instrucciones tiene 1 K posiciones de 14 bits cada una, mientras que la de datos sólo dispone de 512 posiciones de un byte.
El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecuta en un ciclo de instrucción.
Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.
2.1.5 MEMORIA DE PROGRAMA
El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. No hay posibilidad de utilizar memorias externas de ampliación. Como el programa a ejecutar siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente.
Los tipos de memoria adecuados para soportar esta función admiten cinco versiones diferentes:
2.1.6 ROM CON MÁSCARA
En este tipo de memoria el programa se graba en el chip durante el proceso de su fabricación mediante el uso de «máscaras». Los altos costes de diseño e instrumental sólo aconsejan usar este tipo de memoria cuando se precisan series muy grandes.
2.1.7 EPROM
La grabación de esta memoria se realiza mediante un dispositivo físico gobernado desde un computador personal, que recibe el nombre de grabador. En la superficie de la cápsula del microcontrolador existe una ventana de cristal por la que se puede someter al chip de la memoria a rayos ultravioletas para producir su borrado y emplearla nuevamente. Es interesante la memoria EPROM en la fase de diseño y depuración de los programas, pero su coste unitario es elevado.
2.1.8 OTP (Programable una vez)
Este modelo de memoria sólo se puede grabar una vez por parte del usuario, utilizando el mismo procedimiento que con la memoria EPROM. Posteriormente no se puede borrar. Su bajo precio y la sencillez de la grabación aconsejan este tipo de memoria para prototipos finales y series de producción cortas.
2.1.9 EEPROM
La grabación es similar a las memorias OTP y EPROM, pero el borrado es mucho más sencillo al poderse efectuar de la misma forma que el grabado, o sea, eléctricamente. Sobre el mismo zócalo del grabador puede ser programada y borrada tantas veces como se quiera, lo cual la hace ideal en la enseñanza y en la creación de nuevos proyectos. El fabuloso PIC16C84 dispone de 1 K palabras de memoria EEPROM para contener instrucciones y también tiene algunos bytes de memoria de datos de este tipo para evitar que cuando se retira la alimentación se
pierda información. Aunque se garantiza 1.000.000 de ciclos de escritura/borrado en una EEPROM, todavía su tecnología de fabricación tiene obstáculos para alcanzar capacidades importantes y el tiempo de escritura de las mismas es relativamente grande y con elevado consumo de energía.
2.1.10 FLASH
Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. El borrado sólo es posible con bloques completos y no se puede realizar sobre posiciones concretas. En las FLASH se garantizan 1.000 ciclos de escritura-borrado. Son muy recomendables en aplicaciones en las que sea necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto, como consecuencia del desgaste o cambios de piezas, como sucede con los vehículos. Por sus mejores prestaciones está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones.
De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores prácticamente iguales, que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash. Se trata del PIC 16C84 y el PIC 16F84, respectivamente. En la actualidad Microchip tiene abierta una línea de PIC con memoria Flash cada vez más extensa y utilizada.
2.1.11 MEMORIA DE DATOS
Los datos que manejan los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que les contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil.
Hay microcontroladores que también disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un
corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa.
El PIC16C84, el PIC16F83 y el PIC16F84 disponen de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos.
2.1.12 Líneas de E/S para los controladores de periféricos
A excepción de dos patitas destinadas a recibir la alimentación, otras dos para el cristal de cuarzo, que regula la frecuencia de trabajo, y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla. Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertas. Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjuntos de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos, como el I2ºC, el USB, etc.
2.1.13 RECURSOS ESPECIALES
Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el costo, el hardware y el software. Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son:
Temporizadores o "Timers". Perro guardián o "Watchdog".
Protección ante fallo de alimentación o "Brownout". Estado de reposo o de bajo consumo.
Conversor A/D.
Comparador analógico.
Modulador de anchura de impulsos o PWM. Puertas de E/S digitales.
Puertas de comunicación.
2.1.14 TEMPORIZADORES O "TIMERS"
Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores).
Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso.
Cuando se desean contar acontecimientos que se materializan por cambios de nivel o flancos en alguna de las patitas del microcontrolador, el mencionado registro se va incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.
2.1.15 PERRO GUARDIÁN O "WATCHDOG"
Cuando el computador personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el botón del reset y se reinicializa el sistema. Pero un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continuada las 24 horas del día. El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema.
Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro guardián antes de que provoque el reset. Si falla el programa o se bloquea, no se refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, "ladrará y ladrará" hasta provocar el reset.
2.1.16 PROTECCIÓN ANTE FALLO DE ALIMENTACIÓN O "BROWNOUT"
Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.
2.1.17 ESTADO DE REPOSO Ó DE BAJO CONSUMO
Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los microcontroladores disponen de una instrucción especial (SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos asociados, quedando sumido en un profundo "sueño" el microcontrolador. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.
2.1.18 CONVERSOR A/D (CAD)
Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde las patitas del circuito integrado.
2.1.19 CONVERSOR D/A (CDA)
Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patitas de la cápsula.
Existen muchos efectores que trabajan con señales analógicas.
2.1.20 COMPARADOR ANALÓGICO
Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por una de las patitas de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.
También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los comparadores.
2.1.21 MODULADOR DE ANCHURA DE IMPULSOS O PWM
Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de las patitas del encapsulado.
2.1.22 PUERTAS DE E/S DIGITALES
Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patitas a soportar líneas de E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertas.
Las líneas digitales de las Puertas pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración.
2.1.23 PUERTAS DE COMUNICACIÓN
Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos.
Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:
UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.
USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de
otros microprocesadores.
USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.
CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.
2.1.24 HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE APLICACIONES.
Uno de los factores que más importancia tiene a la hora de seleccionar un microcontrolador entre todos los demás es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya que pueden suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto.
Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de sistemas basados en microcontroladores son:
2.1.25 ENSAMBLADOR.
La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares.
2.1.26 COMPILADOR.
La programación en un lenguaje de alto nivel (como el C) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador. Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos.
Depuración: debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.
2.1.27 SIMULADOR.
Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador.
Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el paso físico de la implementación de un modo más seguro y
menos costoso, puesto que ahorraremos en grabaciones de chips para la prueba in-situ.
2.1.28 PLACAS DE EVALUACIÓN.
Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc. Elsistema operativo de la placa recibe el nombre de programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria.
2.1.29 EMULADORES EN CIRCUITO.
Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciese el mismo microcontrolador que luego irá en el zócalo. Presenta en pantalla toda la información tal y como luego sucederá cuando se coloque la cápsula.
2.1.30 LA FAMILIA DE LOS PIC.
Dado que las características de los microcontroladores PIC en su mayoría se agrupan por familias es muy importante para describir el modelo PIC 16C711 dar una idea de las características de su familia o gama. El PIC 16C711 pertenece a la gama media.
Los PIC tienen varias cualidades interesantes, puede ser la velocidad, el precio, la facilidad de uso, la información, las herramientas de apoyo... . Quizás un poco de todo eso es lo que produce esa imagen de sencillez y utilidad. Es probable que en un futuro próximo otra familia de microcontroladores le arrebate ese "algo".
Queremos constatar que para las aplicaciones más habituales (casi un 90%) la elección de una versión adecuada de PIC es la mejor solución; sin embargo, dado su carácter general, otras familias de microcontroladores son más eficaces en aplicaciones específicas, especialmente si en ellas predomina una característica concreta, que puede estar muy desarrollada en otra familia.
Los detalles más importantes y las razones de la excelente acogida que tienen los PIC son los siguientes:
Sencillez de manejo: Tienen un juego de instrucciones reducido; 35 en la gama media.
Buena información, fácil de conseguir y económica.
Precio: Su costo es comparativamente inferior al de sus competidores.
Poseen una elevada velocidad de funcionamiento. Buen promedio de parámetros: velocidad, consumo, tamaño, alimentación, código compacto, etc.
Herramientas de desarrollo fáciles y baratas. Muchas herramientas software se pueden recoger libremente a través de Internet desde Microchip (http://www.microchip.com )
Existe una gran variedad de herramientas hardware que permiten grabar, depurar, borrar y comprobar el comportamiento de los PIC.
Diseño rápido.
La gran variedad de modelos de PIC permite elegir el que mejor responde a los requerimientos de la aplicación.
2.1.31 LAS GAMAS DE PIC
Una de las labores más importantes del ingeniero de diseño es la elección del microcontrolador que mejor satisfaga las necesidades del proyecto con el mínimo presupuesto.
Para resolver aplicaciones sencillas se precisan pocos recursos, en cambio, las aplicaciones grandes requieren numerosos y potentes. Siguiendo esta filosofía Microchip construye diversos modelos de microcontroladores orientados a cubrir, de forma óptima, las necesidades de cada proyecto. Así, hay disponibles microcontroladores sencillos y baratos para atender las aplicaciones simples y otros complejos y más costosos para las de mucha envergadura. Microchip dispone de cuatro familias de microcontroladores de 8 bits para adaptarse a las necesidades de la mayoría de los clientespotenciales.
En la mayor parte de la bibliografía encontremos tan solo tres familias de microcontroladores, con lo que habrán despreciado la llamada gama enana, que es en realidad una subfamilia formada por componentes pertenecientes a las otras gamas. En nuestro caso hemos preferido comentarla dado que los PIC enanos son muy apreciados en las aplicaciones de control de personal, en sistemas de seguridad y en dispositivos de bajo consumo que gestionan receptores y transmisores de
señales. Su pequeño tamaño los hace ideales en
muchos proyectos donde esta cualidad es fundamental.
Describiremos brevemente las familias enana, baja y alta y nos concentraremos en la gama media a la cual pertenece el 16C711.
2.1.31.1 LA GAMA ENANA: PIC12C(F)XXX DE 8 PATITAS
Se trata de un grupo de PIC de reciente aparición que ha acaparado la atención del mercado. Su principal característica es su reducido tamaño, al disponer todos sus componentes de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y
consumen menos de 2 mA cuando trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente. En la Figura se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.
Figura 2.5. Diagrama de conexiones de los PIC12Cxxx de la gama enana.
Aunque los PIC enanos sólo tienen 8 patitas, pueden destinar hasta 6 como líneas de E/S para los periféricos porque disponen de un oscilador interno R-C.
En la Tabla se presentan las principales características de los modelos de esta subfamilia, que el fabricante tiene la intención de potenciar en un futuro próximo. Los modelos 12C5xx pertenecen a la gama baja, siendo el tamaño de las instrucciones de 12 bits; mientras que los 12C6xx son de la gama media y sus instrucciones tienen 14 bits.
Los modelos 12F6xx poseen memoria Flash para el programa y EEPROM para los datos.
2.1.31.2 GAMA BAJA O BÁSICA: PIC16C5X CON INSTRUCCIONES DE 12 BITS.
Se trata de una serie de PIC de recursos limitados, pero con una de la mejores relaciones costo/prestaciones. Sus versiones están encapsuladas con 18 y 28 patitas y pueden alimentarse a partir de una tensión de 2,5 V, lo que les hace ideales en las aplicaciones que funcionan con pilas teniendo en cuenta su bajo consumo (menos de 2 mA a 5 V y 4 MHz). Tienen un repertorio de 33 instrucciones cuyo formato consta de 12 bits. No admiten ningún tipo de interrupción y la Pila sólo dispone de dos niveles. En la Figura se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.
Figura 2.6. Diagrama de patitas de los PIC de la gama baja que responden a la nomenclatura PIC16C54/56.
Al igual que todos los miembros de la familia PIC16/17, los componentes de la gama baja se caracterizan por poseer los siguientes recursos: (en la Tabla se presentan las principales características de los modelos de esta familia).
1. Sistema POR ("Power On Reset") Todos los PIC tienen la facultad de generar una autoreinicialización o autoreset al conectarles la alimentación.
2. Perro guardián (Watchdog o WDT) Existe un temporizador que produce un reset automáticamente si no es recargado antes que pase un tiempo prefijado. Así se evita que el sistema quede "colgado" dado en esa situación el programa no recarga dicho temporizador y se genera un reset.
3. Código de protección. Cuando se procede a realizar la grabación del programa, puede protegerse para evitar su lectura. También disponen los PIC de posiciones reservadas para registrar números de serie, códigos de identificación, prueba, etc.
Tabla 2.Características de los modelos PIC16C®5X de la gama baja
4. Líneas de E/S de alta corriente. Las líneas de E/S de los PIC pueden proporcionar o absorber una corriente de salida comprendida entre 20 y 25 mA, capaz de excitar directamente ciertos periféricos.
5. Modo de reposo (Bajo consumo o "sleep") Ejecutando una instrucción (SLEEP), la CPU y el oscilador principal se detienen y se reduce notablemente el consumo.
Para terminar el comentario introductorio sobre los componentes de la gama baja conviene nombrar dos restricciones importantes:
La pila o "stack" sólo dispone de dos niveles lo que supone no poder encadenar más de dos subrutinas.
Los microcontroladores de la gama baja no admiten interrupciones. 2.1.31.3 GAMA MEDIA. PIC16CXXX CON INSTRUCCIONES DE 14 BITS
Es la gama más variada y completa de los PIC. Abarca modelos con encapsulado desde 18 patitas hasta 68, cubriendo varias opciones que integran abundantes periféricos. Dentro de esta gama se halla el «fabuloso PIC16X84» y sus variantes. En la Figura se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.
Figura 2.7. Diagrama de patitas del PIC16F877, uno de los modelos más representativos de la gama media.
En esta gama sus componentes añaden nuevas prestaciones a las que poseían los de la gama baja, haciéndoles más adecuados en las aplicaciones complejas. Admiten interrupciones, poseen comparadores de magnitudes analógicas, convertidores A/D, puertos serie y diversos temporizadores.
El repertorio de instrucciones es de 35, de 14 bits cada una y compatible con el de la gama baja. Sus distintos modelos contienen todos los recursos que se precisan en las aplicaciones de los microcontroladores de 8 bits. También dispone de interrupciones y una Pila de 8 niveles que permite el anidamiento de subrutinas. En la Tabla se presentan las principales características de los modelos de esta familia.
Tabla 3.Características relevantes de los modelos PIC16X8X de la gama media.
Encuadrado en la gama media también se halla la versión PIC14C000, que soporta el diseño de controladores inteligentes para cargadores de baterías, pilas pequeñas, fuentes de alimentación ininterrumpibles y cualquier sistema de adquisición y procesamiento de señales que requiera gestión de la energía de alimentación. Los PIC 14C000 admiten cualquier tecnología de las baterías como Li-Ion, NiMH, NiCd, Ph y Zinc. El temporizador TMR1 que hay en esta gama tiene un circuito oscilador que puede trabajar asíncronamente y que puede incrementarse aunque el microcontrolador se halle en el modo de reposo ("sleep"), posibilitando la implementación de un reloj en tiempo real.
Las líneas de E/S presentan una carga "pull-up" activada por software.
2.1.31.4 GAMA ALTA: PIC17CXXX CON INSTRUCCIONES DE 16 BITS. Se alcanzan las 58 instrucciones de 16 bits en el repertorio y sus modelos disponen de un sistema de gestión de interrupciones vectorizadas muy potente. También incluyen variados controladores de periféricos, puertas de comunicación serie y paralelo con elementos externos, un multiplicador hardware de gran velocidad y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos.
Quizás la característica más destacable de los componentes de esta gama es su arquitectura abierta, que consiste en la posibilidad de ampliación del microcontrolador con elementos externos. Para este fin, las patitas sacan al exterior las líneas de los buses de datos, direcciones y control, a las que se conectan memorias o controladores de periféricos. Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado número de patitas comprendido entre 40 y 44. Esta filosofía de construcción del sistema es la que se empleaba en los microprocesadores y no suele ser una práctica habitual cuando se emplean microcontroladores. En la tabla se muestran las características más relevantes de los modelos de esta gama, que sólo se utilizan en aplicaciones muy especiales con grandes requerimientos.
Tabla 4. Características más destacadas de los modelos PIC17CXXX de la gama alta.
2.2 SENSORES
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), unaTensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetrode mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina , Industria de manufactura, Robótica , etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SENSORES
Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
Precisión: es el error de medida máximo esperado.
Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada.
Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.
Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.
2.2.2 RESOLUCIÓN Y PRECISIÓN
La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.
La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida
menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.
2.2.3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN RS4853
Cuando se necesita transmitir a largas distancias o con más altas velocidades que RS-232, RS-485 es la solución. Utilizando enlaces con RS-485 no hay limitación a conectar tan solo dos dispositivos.
RS-485 o también conocido como EIA-485, que lleva el nombre del comité que lo convirtió en estándar en 1983. Es un estándar de comunicaciones en bus de la capa física del Modelo OSI.
Está definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, es ideal para transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbps hasta 10 metros y 100 Kbps en 1.200 metros) y a través de canales ruidosos, ya que reduce los ruidos que aparecen en los voltajes producidos en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión es un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo, con una longitud máxima de 1.200 metros operando entre 300 y 19200 bps y la comunicación half-duplex (semiduplex). Soporta 32 transmisiones y 32 receptores. La transmisión diferencial permite múltiples drivers dando la posibilidad de una configuración multipunto. Al tratarse de un estándar bastante abierto permite muchas y muy diferentes configuraciones y utilizaciones.
3
Ingeniería en Microcontroladores, Protocolo RS485 www.i-micro.com
Desde el 2003 está siendo administrado por la Telecommunications Industry Association (TIA) y titulado como TIA-485-A.222
La razón por la que RS-485 puede transmitir a largas distancias, es porque utiliza el balanceo de líneas. Cada señal tiene dedicados un par de cables, sobre uno de ellos se encontrará un voltaje y en el otro se estará su complemento, de esta forma, el receptor responde a la diferencia entre voltajes.
La ventaja de las líneas balanceadas es su inmunidad al ruido En cuanto a las líneas balanceadas la TIA/EIA-485 designa a estas dos líneas como A y B. En el controlador TX, una entrada alta TTL causa que la línea A sea más positiva (+) que la línea B, mientras que un bajo en lógica TTL causa que la línea B sea más positiva (+) que la línea A. Por otra parte en el controlador de recepción RX, si la entrada A es más positiva que la entrada B, la salida lógica TTL será “1” y si la entrada B es más (+) que la entrada A, la salida lógica TTL será un “0”.
Figura 2.8. Comunicación RS485-Modo Half Duplex
2.2.4 PRINCIPALES CARACTERISTICAS Interfaz diferencial
Conexión multipunto Alimentación única de +5V
Hasta 32 estaciones (ya existen interfaces que permiten conectar 256 estaciones)
Velocidad máxima de 10 Mbps (a 12 metros)
Longitud máxima de alcance de 1.200 metros (a 100 Kbps) Rango de bus de -7V a +12V
2.2.5 APLICACIONES
RS-485 se usa con frecuencia en las UARTs para comunicaciones de datos de poca velocidad en las cabinas de los aviones. Por
ejemplo, algunas unidades de control del pasajero lo utilizan. Requiere el cableado mínimo, y puede compartir el cableado entre varios asientos. Por lo tanto reduce el peso del sistema.
RS-485 se utiliza en sistemas grandes de sonido, como los conciertos de música y las producciones de teatro, se usa software especial para controlar remotamente el equipo de sonido de una computadora, es utilizado generalmente para los micrófonos.
RS-485 también se utiliza en la automatización de los edificios pues el cableado simple del bus y la longitud de cable es larga por lo que son ideales para ensamblar los dispositivos que se encuentran alejados.
2.3 COMUNICACIÓN RS232
RS232 (Recommended Standard 232, también conocido
como Electronic Industries Alliance RS-232C) es una interfaz que designa una norma para el intercambio serie de datos binarios entre un DTE (Equipoterminal de datos) y un DCE (Data Communication Equipment, Equipo de Comunicación de datos), aunque existen otras en las que también se utiliza la interfaz RS-232.
2.3.1 CONECTOR RS-232 (DB-9 HEMBRA).
En particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro tipo de equipamientos, como pueden ser computadores. Evidentemente, en el caso de interconexión entre los mismos, se requerirá la conexión de un DTE (Data Terminal Equipment) con otro DTE. Para ello se utiliza una conexión entre los dos DTE sin usar módem, por ello se llama: null módem ó módem nulo.
El RS-232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines), aunque es normal encontrar la versión de 9 pines (DB-9), más barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC).
2.3.2 CONSTRUCCIÓN FISICA
La interfaz RS-232 está diseñada para imprimir documentos para distancias cortas, de hasta 15 metros según la norma , y para velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 Kilobits/segundo. A pesar de esto, muchas veces se utiliza a mayores velocidades con un resultado
aceptable. La interfaz puede trabajar en
comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half duplex o full duplex. En un canalsimplex los datos siempre viajarán en una dirección, por ejemplo desde DCE a DTE. En un canal half duplex, los datos pueden viajar en una u otra dirección, pero sólo durante un determinado periodo de tiempo; luego la línea debe ser conmutada antes que los datos puedan viajar en la otra dirección. En un canal full duplex, los datos pueden viajar en ambos sentidos simultáneamente. Las líneas de handshakingde la RS-232 se usan para resolver los problemas asociados con este modo de operación, tal como en qué dirección los datos deben viajar en un instante determinado.
Si un dispositivo de los que están conectados a una interfaz RS-232 procesa los datos a una velocidad menor de la que los recibe deben de conectarse las líneas handshaking que permiten realizar un control de
flujo tal que al dispositivo más lento le de tiempo de procesar la información. Las líneas de "hand shaking" que permiten hacer este control de flujo son las líneas RTS y CTS. Los diseñadores del estándar no concibieron estas líneas para que funcionen de este modo, pero dada su utilidad en cada interfaz posterior se incluye este modo de uso
Las UART o U(S)ART (Transmisor y Receptor Síncrono Asíncrono Universal) se diseñaron para convertir las señales que maneja la CPU y transmitirlas al exterior. Las UART deben resolver problemas tales como la conversión de voltajes internos del DCE con respecto al DTE, gobernar las señales de control, y realizar la transformación desde el bus de datos de señales en paralelo a serie y viceversa. Debe ser robusta y deberá tolerar circuitos abiertos, cortocircuitos y escritura simultánea sobre un mismo pin, entre otras consideraciones. Es en la UART en donde se implementa la interfaz.
Generalmente cuando se requiere conectar un microcontrolador (con señales típicamente entre 3.3 y 5 V) con un puerto RS-232 estándar se utiliza un driver de línea, típicamente un MAX232 o compatible, el cual mediante dobladores de voltaje positivos y negativos permite obtener la señal bipolar (típicamente alrededor de +/- 6V) requerida por el estándar. Para los propósitos de la RS-232 estándar, una conexión es definida por un cable desde un dispositivo al otro. Hay 25 conexiones en la especificación completa, pero es muy probable que se encuentren menos de la mitad de éstas en una interfaz determinada. La causa es simple, una interfaz full duplex puede obtenerse con solamente 3 cables.
Existe una cierta confusión asociada a los nombres de las señales utilizadas, principalmente porque hay tres convenios diferentes de denominación (nombre común, nombre asignado por la EIA, y nombre asignado por el CCITT).
En la siguiente tabla se muestran los tres nombres junto al número de pin del conector al que está asignado (los nombres de señal están desde el
punto de vista del DTE (por ejemplo para Transmit Data los datos son enviados por el DTE, pero recibidos por el DCE):
Propósito de cada una de las Patas del Conector DB9
# Propósito
1 Tierra de chasis 2 Recibe los datos (RD) 3 Transmite los datos (TD) 4 Terminal de Datos esta Listo
(DTR)
5 Tierra de señal
6 Conjunto de Datos esta Listo (DSR)
7 Solicita Permiso para Enviar Datos (RTS)
8 Pista Libre para Enviar Datos (CTS)
9 Timbre Telefónico (RI)
Tabla 5. PINES DE CONEXIÓN DEL PUERTO DB9
Sobre los circuitos, todos los voltajes están con respecto a la señal de tierra.
Las convenciones que se usan son las siguientes:
Voltaje Señal Nivel Lógico Control +3 a +15 Espacio 0 On -3 a –15 Marca 1 Off
Los valores de voltaje se invierte con respecto a los valores lógicos. Por ejemplo, el valor lógico positivo corresponde al voltaje negativo. También un 0 lógico corresponde a la señal de valor verdadero ó activada. Por ejemplo si la línea DTR está al valor 0 lógico, se encuentra en la gama de voltaje que va desde +3 a +15 V, entonces DTR está listo (ready).
El canal secundario a veces se usa para proveer un camino de retorno de información más lento, de unos 5 a 10 bits por segundo, para funciones como el envío de caracteres ACK o NAK, en principio sobre un canal half duplex. Si el módem usado acepta esta característica, es posible para el receptor aceptar o rechazar un mensaje sin tener que esperar el tiempo de conmutación, un proceso que usualmente toma entre 100 y 200 milisegundos.
2.3.3 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE CADA CIRCUITO
Los siguientes criterios son los que se aplican a las características eléctricas de cada una de las líneas:
1. La magnitud de un voltaje en circuito abierto no excederá los 25 V. 2. El conductor será apto para soportar un corto con cualquier otra
línea en el cable sin daño a sí mismo o a otro equipamiento, y la corriente de cortocircuito no excederá los 0,5 A.
3. Las señales se considerarán en el estado de MARCA, (nivel lógico “1”), cuando el voltaje sea más negativo que - 3 V con respecto a la línea de Signal Ground. Las señales se considerarán en el estado de ESPACIO, (nivel lógico ”0”), cuando el voltaje sea más positivo que +3 V con respecto a la línea Signal Ground. La gama de voltajes entre -3 V y +3 V se define como la región de transición, donde la condición de señal no está definida.
4. La impedancia de carga tendrá una resistencia a DC de menos de 7000 Ω al medir con un voltaje aplicado de entre 3 a 25 V pero
mayor de 3000 O cuando se mida con un voltaje de menos de 25 V.
5. Cuando la resistencia de carga del terminal encuentra los requerimientos de la regla 4 anteriormente dicha, y el voltaje del terminal de circuito abierto está a 0 V, la magnitud del potencial de ese circuito con respecto a Signal Ground estará en el rango de 5 a 15 V.
6. El driver de la interfaz mantendrá un voltaje entre -5 a –15 V relativos a la Signal Ground para representar una condición de MARCA. El mismo driver mantendrá un voltaje de entre 5 V a 15 V relativos a Signal Ground para simbolizar una señal de ESPACIO. Obsérvese que esta regla junto con la Regla 3, permite 2 V de margen de ruido. En la práctica, se utilizan –12 y 12 V respectivamente.
7. El driver cambiará el voltaje de salida hasta que no se excedan 30 V/µs, pero el tiempo requerido a la señal para pasar de –3 V a +3 V de la región de transición no podrá exceder 1 ms, o el 4% del tiempo de un bit.
8. La desviación de capacitancia del terminal no excederá los 2500 pF, incluyendo la capacitancia del cable. Obsérvese que cuando se está usando un cable normal con una capacitancia de 40 a 50 pF/Pie de longitud, esto limita la longitud de cable a un máximo de 50 Pies, (15 m). Una capacitancia del cable inferior permitiría recorridos de cable más largos.
9. La impedancia del driver del circuito estando apagado deberá ser mayor que 300 Ω.
2.4 CELULARES
El teléfono móvil es un dispositivo inalámbrico electrónico que permite tener acceso a la red de telefonía celular o móvil. Se
denomina celular en la mayoría de países latinoamericanos debido a las antenas repetidoras que conforman la red, cada una de las cuales es una célula, si bien existen redes telefónicas móviles satelitales. Su principal característica es su portabilidad, que permite comunicarse desde casi cualquier lugar. Aunque su principal función es la comunicación de voz, como el teléfono convencional.
A partir del siglo XXI, los teléfonos móviles han adquirido funcionalidades que van mucho más allá que limitarse a llamar o enviar mensajes de texto, se podría decir que se ha unificado (que no sustituido) con distintos dispositivos tales como PDA, cámara de fotos, agenda electrónica, reloj despertador, calculadora, microproyector, GPSo reproductor multimedia, así como poder realizar multitud de acciones en un dispositivo pequeño y portátil que lleva prácticamente todo el mundo de países desarrollados. A este tipo de evolución del teléfono móvil se le conoce como smartphone. El primer antecedente respecto al teléfono móvil es de la compañía Motorola, con su modelo DynaTAC 8000X. El modelo fue diseñado por el ingeniero de Motorola Rudy Krolopp en 1983. El modelo pesaba poco menos de un kilo y tenía un valor de casi 4000 dólares estadounidenses. Krolopp se incorporaría posteriormente al equipo de investigación y desarrollo de Motorola liderado por Martin Cooper. Tanto Cooper como Krolopp aparecen como propietarios de la patente original. A partir del DynaTAC 8000X, Motorola desarrollaría nuevos modelos como el Motorola MicroTAC, lanzado en 1989, y el Motorola StarTAC, lanzado en 1996 al mercado.
En la actualidad tienen gran importancia los teléfonos móviles táctiles, que siguen la estela del iPhone.
2.4.1 FUNCIONAMIENTO
La comunicación telefónica es posible gracias a la interconexión entre centrales móviles y públicas.
