Precio Cap. Fed. Y GBA: Precio Cap. Fed. Y GBA:$14,90$14,90 Recarg
Recargo envío al interior:o envío al interior:$0,80$0,80 ISSN: 0328-5073 Año 14 / 2014 / ISSN: 0328-5073 Año 14 / 2014 /Nº 169Nº 169
editorial Quark srl, saber internacional s.a. de C.V., el Club se y la revista saber electrónica presentan este nuevo producto multimedia. Como lector de saber electrónica puede descargar este Cd desde nuestra página web, grabar la imagen en un disco virgen y realizar el curso que se propone. Para realizar la descarga tiene que tener esta revista al alcance de su mano, dado que se le harán preguntas sobre su contenido. Para realizar la descarga, vaya al sitio: www.webelectronica.com.ar, haga clic en el ícono password e ingrese la clave “Cd-1429”. deberá ingresar su dirección de correo electró-nico y, si ya está registrado, de inmediato podrá realizar la descarga siguiendo las ins-trucciones que se indiquen. si no está registrado, se le enviará a su casilla de correo la dirección de descarga (registrarse en webelectronica es gratuito y todos los socios poseen beneficios).
Módulo1: Teoría
1- Fuentes Conmutadas. Introducción. Configuraciones Básicas 2- Pasos para seguir la reparación de Fuentes Conmutadas en TV Color 3- Fuentes Reguladas. Reguladores. Fuentes Reguladas de Tensión 4- Operación y fallas en Fuentes Conmutadas
5- Principios de Diseño. Generalidades sobre las Fuentes de Alimentación Conmutadas (FAC)
6- Reparación de Fuentes de PC. Detección de fallas
7- Reparación de Fuentes Conmutadas, basado en un TV Noblex con chasis Samsung.
8- Teoría de operación de las Fuentes de Alimentación Conmutada. Principios de Operación Módulo2: diagraMas 1- Fuente Sony KV25 2- Fuente Telefunken VCR DV11 3- Fuente BECO-TVT 4- Fuente Daewo 2590/2895 5- Fuente Daewo C-50NA 6- Fuente Funai 2500 7- Fuente Funai MS14 8- Fuente Funai MS20 9- Fuente Genérica DMS14 10- Fuente Goldstar 2529CE 11- Fuente Goldstar 2122 12- Fuente Goldstar 2133 13- Fuente Goldstar PC33 14- Fuente JVC 140 15- Fuente JVC 2155 16- Fuente JVC AV20 17- Fuente JVC AVJ21 18- Fuente LG 1420/21 19- Fuente LG 2420/21 20- Fuente LG 2420 21- Fuente LG2529 22- Fuente Nokia 7164 23- Fuente Panasonic 1421S1 24- Fuente Panasonic 2170 25- Fuente Panasonic 25V70 26- Fuente Panasonic 2832 27- Fuente Panasonic 2150 28- Fuente Record 4029 29- Fuente Salora 2128 30- Fuente Samsung 5035 31- Fuente Samsung 5324/5062 32- Fuente Samsung 6202/7202 33- Fuente Sharp 21Tfn1 34- Fuente Sony 21M111 35- Fuente Sony 1431 36- Fuente Sony 2155 37- Fuente Sony KV14M 38- Fuente Sony 1431CD 39- Fuente Sony 2161/62/63 etc.
Módulo3: PrograMas einsTruMenTosVirTuales GENERADORES:
BIP Electronics Labs 3.0 Sine Wave Generator BIP FreeWare Fun ANALIZADORES LF SPECTRUM ANALYSER OSCILOSCOPIOS PBD Scope, Xilscope Módulo4: Videos
Funcionamiento de las Fuentes Conmutadas Necesidad de las Fuentes Conmutadas Tips para la Reparación de Fuentes Conmutadas Cómo Saber si Una Fuente está Oscilando Mediciones en Fuentes Conmutadas
Reparación de Fuentes de Consolas de Videojuegos
Todo Sobre
Todo Sobre
Fuentes Conmutadas
Fuentes Conmutadas
T
ÉCNICO
S
UPERIOR EN
E
LECTRÓNICA
CONSTITUCIÓN DE LA CARRERA Y FORMA DE ESTUDIO
En febrero de 2012, en Saber Electrónica Nº 295, comenzamos el dictado de la carrera de “Técnico Superior en Electrónica”, con una extensión de 3 años, dividida en 6 etapas, de 6 lecciones mensuales cada etapa.
Se trata de un sistema de estudio que se basa en guías de estudio impresas en papel y CDs Multimedia Interactivos.
El alumno puede estudiar a razón de una lección por mes y “no podrá rendir exámenes libres” lo que significa que sin importar los estudios previos que posea, el alumno podrá rendir un examen por mes como máximo y 6 exámenes por año como mínimo. Esto significa que el tiempo mínimo para completar la carrera es de 3 años y el tiempo máximo queda fijo en 6 años.
Para realizar el estudio la mecánica es la siguiente:
1) El alumno debe descargar gratuitamente el CD correspondiente a la primera lección de la primera etapa desde nuestra web: www.webelectronica.com.ar, hacien-do clic en el ícono password e ingresanhacien-do la clave CURSOE1L1.
2) El alumno deberá explorar el contenido del CD y si desea realizar los estudios de la carrera debe inscribirse gratuitamente como alumno regular siguiendo los pasos sugeridos en el CD.
3) El alumno estudiará todas las secciones correspondientes a cada lección y podrá realizar consultas por Internet, asistir a videoconferencias y a las clases de apoyo que se programen.
4) A partir del momento en que se inscribe como alumno, tiene un tiempo máximo de 3 meses para rendir el primer Test de Evaluación por Internet. En caso de no hacer-lo será dado de baja y no podrá retomar hacer-los estudios hasta que transcurra un período mínimo de 6 meses, luego del cual deberá volver a inscribirse como alumno regular.
5) El Test se aprueba con 7 puntos y en caso de reprobar se le enviará un nuevo examen que deberá realizar luego de transcurrido un tiempo mínimo de un mes, con un máximo de 3 meses. Si vuelve a reprobar deberá solicitar un nuevo Test, el cual tendrá un costo equivalente a $25.
Teoría
C
URSO DET
ÉCNICOS
UPERIOR ENE
LECTRÓNICATécnico en Electrónica
y Microcontroladores
Damos comienzo a la quinta etapa de la carrera de Técnico Superior en Electrónica, dedicada a la electrónica digital com-pleja, en la que se estudia todo lo correspondiente a los micro-controladores y su aplicación en Sistemas Electrónicos.
Para poder abordar este módulo de estudio es preciso que el alumno haya estudiado y aprobado las cuatro etapas anterio-res, cuya constitución mencionamos a continuación.
6) Una vez aprobado el test de evaluación podrá solicitar la descarga del CD Multimedia correspondiente a la segunda lección. A partir de la segunda lección, cada CD multimedia tiene costo.
7) La mecánica para el estudio de cada lección de las diferentes etapas es el mismo que lo ya explicado en los puntos (2) a (6).
8) Cuando culmine los estudios de cada etapa el alumno recibirá un Título Intermedio”. Otorgándosele un Diploma que acredita los logros obtenidos. Al culmi-nar los estudios de cada etapa, el título obtenido es el siguiente:
8.1) Etapa 1: Idóneo en Electrónica 8.2) Etapa 2: Técnico en Semiconductores 8.3) Etapa 3: Técnico en Electrónica Digital 8.4) Etapa 4: Técnico en Sistemas de Audio
8.5) Etapa 5: Técnico en Electrónica y Microcontroladores 8.6) Etapa 6: Técnico en Telecomunicaciones
9) Al obtener el título de la sexta etapa automáticamente se graduará como Técnico Superior en Electrónica.
SOBRE EL ESTUDIO DE CADA LECCIÓN
Cada lección o guía de estudio se compone de 3 secciones: teoría, práctica y taller. Con la teoría aprende los fundamentos de cada tema que luego fija con la práctica. En la sección “taller” se brindan sugerencias y ejercicios técnicos. Para que nadie tenga problemas en el estudio, los CDs multimedia del Curso en CD están con-feccionados de forma tal que Ud. pueda realizar un curso en forma interactiva, respetando el orden, es decir estudiar primero el módulo teórico y luego realizar las prácticas propuestas.
Por razones de espacio, en la revista Saber Electrónica sólo se edita una parte de la guía de estudio, razón por la cual puede descargarlas de nuestra web, sin cargo, ingresando a www.webelectronica.com.ar, haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave dada en cada revista. La guía está en formato pdf, por lo cual al descargarla podrá imprimirla sin ningún inconveniente para que tenga la lección completa.
El CD de la lección 1, de la etapa 1, lo puede descargar GRATIS y así podrá com-probar la calidad de esta CARRERA de Técnico Superior en Electrónica. A partir de la lección 2, el CD de cada lección tiene un costo de $25, Ud. lo abona por diferentes medios de pago y le enviamos las instrucciones para que Ud. lo descargue desde la web con su número de serie. Con las instrucciones dadas en el CD podrá hacer pre-guntas a su "profesor virtual" - Robot Quark- (es un sistema de animación contenido en los CDs que lo ayuda a estudiar en forma amena) o aprender con las dudas de su compañero virtual - Saberito- donde los profesores lo guían paso a paso a través de archivos de voz, videos, animaciones electrónicas y un sin fin de recursos prácticos que le permitirán estudiar y realizar autoevaluaciones (Test de Evaluaciones) per-iódicas para que sepa cuánto ha aprendido. Puede solicitar las instrucciones de descarga del CD que corresponde a esta lección, es decir, el CD Nº1 de la Cuarta Etapa y/o los CDs de las lecciones tanto de la Primera Etapa como de la Segunda Etapa de este Curso enviando un mail a [email protected] o lla-mando al teléfono de Buenos Aires (11) 4301-8804.
SOBRE EL RECONOCIMIENTO DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
En la medida que vamos completando la edición de cada etapa, presentamos el plan de estudio realizado ante las autoridades competentes de la Universidad Tecnológica Nacional de la República Argentina con el objeto de que los títulos que Esta es la primera lección de la quinta etapa del
Cur so de Elec tró ni ca Mul ti me dia, In te rac ti vo, de en se ñan za a dis tan cia y por me dio de In ter net que presentamos en Saber Electrónica Nº 295. El Cur so se com po ne de 6 ETA PAS y ca da una de ellas po see 6 lec cio nes con teo ría, prác ti -cas, ta ller y Test de Eva lua ción. La es truc tu ra del cur so es sim ple de mo do que cual quier per so na con es tu dios pri ma rios com ple tos pue da es tu diar una lec ción por mes si le de di ca 8 ho ras se ma na les pa ra su to tal com pren sión. Al ca bo de 3 años de es tu dios cons tan tes po drá te ner los co no ci mien tos que lo acre -di ten co mo Téc ni co Su pe rior en Elec tró ni ca. Ca da lec ción se com po ne de una guía de es -tu dio y un CD mul ti me dia in te rac ti vo. El alum no tie ne la po si bi li dad de ad qui rir un CD Mul ti me dia por ca da lec ción, lo que lo ha -bi li ta a rea li zar con sul tas por In ter net so bre las du das que se le va yan pre sen tan do. Tan to en Ar gen ti na co mo en Mé xi co y en va -rios paí ses de Amé ri ca La ti na al mo men to de es tar cir cu lan do es ta edi ción se pon drán en ven ta los CDs del “Curso Multimedia de Electrónica en CD”, el vo lu men 1 de la primera etapa co rres pon de al es tu dio de la lec -ción Nº 1 de es te cur so (aclaramos que en Saber Electrónica Nº 295 publicamos la guía impresa de la lección 1), el vo lu men 6 de di -cho Curso en CD co rres pon de al es tu dio de la lec ción Nº 6.
Ud. está leyendo la parte teórica de la primera lección de la quinta etapa y el CD correspon-diente es el de la Etapa 5, Lección 1. Para adquirir el CD correspondiente a cada lección debe enviar un mail a:
[email protected]. El CD correspondiente a la lección 1 es GRATIS, y en la edición Nº 295 dimos las instrucciones de descarga. Si no poee la revista, solicite dichas instrucciones de des-carga gratuita a:
A partir de la lección Nº 2 de la primera eta-pas, cuya guía de estudio fue publicada en Saber Electrónica Nº 296, el CD (de cada lec-ción) tiene un costo de $25 (en Argentina) y puede solicitarlo enviando un mail a
Teoría
entregamos sean reconocidos por la mencionada Alta Casa de Estudio. A junio de 2013 la UTN reconocía los estudios correspondientes a las etapas 1 y 2 (Idóneo en Electrónica y Técnico en Semiconductores) y el Club Saber Electrónica comenzaba las acciones para el reconocimiento de la tercera etapa. Ya hemos presentado el plan de estudio y las lecciones correspondientes a la TERCERA ETAPA y el mes próx-imo haremos lo propio con la CUARTA ETAPA. Los alumnos que poseen los Diplomas otorgados por el Club Saber Electrónica pueden solicitar el Reconocimiento de la UTN sin tener que rendir ningún examen adicional, abonando un canon por gastos administrativos que a junio de 2013 eran de $200 por etapa.
SOBRE LA QUINTA ETAPA:
“TÉCNICO EN ELECTRÓNICA Y MICROCONTROLADORES”
EL estudiante ya tiene todos los conocimientos necesarios como para desem-peñarse como Técnico en Electrónica en empresas, fábricas, industrias, etc. y es hora de especializarse.
Al comenzar los estudios de esta etapa el alumno ya posee conocimiento sobre las leyes fundamentales de la electrónica y estudió el comportamiento de los semi-conductores, habiendo realizado prácticas con instrumental básico de taller. También estudió las familias lógicas, el comportamiento de las principales com-puertas, conoce las leyes fundamentales de la electrónica digital, sabe realizar sín-tesis de funciones y se capacitó en el funcionamiento de programas simuladores que le permiten tomar experiencia con circuitos integrados complejos. Está capacitado en el manejo de las técnicas digitales y su interacción con las diferentes tecnologías electrónicas. Es por eso que en esta etapa se especializa en una de las ramas más importantes de la electrónica digital: “Los Microcontroladores”.
En la primera lección se estudia qué son los microcontroladores, cuáles son sus características, las diferentes estructuras, dónde se los emplea, cómo fueron evolu-cionando y cuáles son los bloques que los integran.
La segunda lección está destinada a explicar la estructura interna de los micro-controladores de Microchip, nos referimos a los PICs, quizá los más conocidos del mercado. El alumno aprenderá a programar en lenguaje Assembler y hará prácticas con dichos componentes.
La tercera lección trata sobre una familia basada en los PICs de Microchip; nos referimos a los microcontroladores PICXE, quienes poseen un entorno de desarrollo bastante amigable con el que el alumno aprenderá a manejarlos en forma intuitiva, mediante diagramas de flujo y la conversión de programas a lenguaje Basic.
En la cuarta lección se estudian los microcontroladores AVR de Atmel, mostran-do la diferencia existente con los PIC de Microchip y cuáles son sus ventajas. Comienza a programar en lenguaje C y empieza a desarrollar sistemas microproce-sados.
Llega el momento de conocer a la plataforma Arduino, tema excluyente de la quinta lección de esta quinta etapa y, quizá, la más importante desde el punto de vista de su formación como “Técnico en Microcontroladores” ya que combina las diferentes plataformas, incorporando la conocida “Basic Stamp” para el desarrollo de sistemas complejos con microcontroladores.
La última lección de la quinta etapa está destinada al estudio de microcontro-ladores específicos, comenzando por los MCH de Motorola, siguiendo con los TDA de Phillips, los COP de National, etc.
Al término de esta lección, y luego de rendir los Test de Evaluación Correspondientes, tendrá el Título de “Técnico en Electrónica y Microcontroladores”. A continuación, damos comienzo a esta etapa, estudiando la “parte teórica” de la primera lección, en la que aprenderemos “qué son los microcontroladores”.
INTRODUCCIÓN
Se pretende explicar conceptos cuya vigencia se mantendrá en un periodo mas o menos largo, centrándose en una familia de microcontroladores tradicional.
La forma de estructurar el tema responde a la experiencia de que, para quien por primera vez estudia microcontroladores, resulta más sencillo aprender primero lo referente a la construcción interna del dispositivo y la arquitectura general de los microcontroladores y una vez entendido pasar entonces a los detalles.
QUÉ ES UN MICROCONTROLADOR
Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nues-tro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar con-trolando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadoras, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la inva-sión acaba de comenzar y el siglo XXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabri-quemos y usaremos los humanos.
CONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR
Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno eléctrico dispone de un sensor que mide constantemente su tempera-tura interna y actúa sobre las resistencias para mantener la temperatempera-tura dentro del rango establecido.
Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiem-po, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los con-troladores electrónicos se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un solo circuito integrado, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo ordenador contenido en un circuito integrado.
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que
Desde la invención del circuito integrado, el desarrollo constan-te de la electrónica digital ha dado lugar a dispositivos cada vez más complejos. Entre ellos los microprocesadores y los micro-controladores. El objetivo principal de esta lección es que el alumno logre un entendimiento básico de los microcontrolado-res y obtenga los conocimientos necesarios para la programa-ción de estos dispositivos y para el diseño de sistemas digitales y/o analógicos basados en ellos.
Teoría
incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador y que con-tiene todos los componentes fundamentales de un ordenador, aunque de limitadas prestaciones y que se suele destinar a gobernar una sola tarea.
En su memoria sólo reside un programa que controla en funcionamiento de una tarea determinada, sus líneas de entrada/salida se conectan a los sensores y actua-dores del dispositivo a controlar y, debido a su pequeño tamaño, suele ir integrado en el propio dispositivo al que gobierna.
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso).
Memoria RAM para contener los datos.
Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EEPROM/Flash. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, puertos serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sis-tema.
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 microcontro-lador en un circuito integrado disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.
Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones.
Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dis-positivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controla-dor empotrado (embedded controller).
APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES
Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las dife-rentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a uti-lizar.
Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y costo, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.
Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes.
Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas pre-sentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigorí-ficos, televisores, ordenadores, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.
Los microcontroladores se encuentran por todas partes:
Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como centrales y en telé-fonos fijos, móviles, fax, etc.
Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas, batidoras, televi-sores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música, mandos a distancia, consolas, etc.
Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones, tecla-dos, impresoras, escáner, etc.
Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc. Industria: Autómatas, control de procesos, etc.
Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores, calefacción, aire acon-dicionado, alarmas de incendio, robo, etc.
Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard), sistemas de nave-gación, etc.
La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente, figura 1. Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los ordenadores y sus periféricos. La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo (electrodo-mésticos, juegos, TV, vídeo, etc.) El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones. Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales. El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automo-ción.
También los modernos microcon-troladores de 32 bits van afianzando sus posiciones en el mer-cado, siendo las áreas de más interés el pro-cesamiento de imáge-nes, las comunicacio-nes, las aplicaciones militares, los procesos industriales y el con-trol de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos.
Teoría
La figura 2 muestra un ejemplo de aplicación de un microcontrolador en el automóvil.
EL MERCADO DE
LOS MICROCONTROLADORES
Aunque en el mercado de la microin-formática la mayor atención la acaparan los desarrollos de los microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de microcontroladores por cada uno de aquéllos.
La figura 3 muestra la producción mundial de microcontroladores por año.
Existe una gran diversidad de micro-controladores. Quizá la clasificación más
importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las presta-ciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es que los microcontrola-dores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del microcontrolador es el mercado automo-vilístico. De hecho, algunas de las familias de microcontroladores actuales se desa-rrollaron pensando en este sector, siendo modificadas posteriormente para adap-tarse a sistemas más genéricos. El mercado del automóvil es además uno de los más exigentes: los componentes
electrónicos deben operar bajo con-diciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables. El fallo de cualquier compo-nente en un automóvil puede ser el origen de un accidente.
En cuanto a las técnicas de fabri-cación, cabe decir que prácticamen-te la totalidad de los microcontrola-dores actuales se fabrican con tec-nología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido.
RECURSOS EN UN SOLO CHIP
Al estar todos los microcontrola-dores en un solo circuito integrado, su estructura fundamental y sus características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de
Figura 2
los bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos. Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar los recursos más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.
ARQUITECTURA VON NEUMANN
La arquitectura tradicional de computadoras y microcontroladores se basa en el esquema propuesto por John Von Neumann, en el cual la unidad central de proceso, o CPU, esta conectada a una memoria única que contiene las instrucciones del progra-ma y los datos, figura 4. El taprogra-maño de la unidad de datos o instrucciones esta fijado por el ancho del bus de la memo-ria. Las dos principales limitaciones de esta arquitectura tradicional son :
a) Que la longitud de las instrucciones esta limitada por la unidad de longitud de los datos, por lo tanto el micropro-cesador debe hacer varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.
b) La velocidad de operación (o ancho de banda de operación) esta limitada por el efecto de cuello de botella que significa un bus único para datos e instrucciones que impide superponer ambos tiempos de acceso.
La arquitectura von Neumann permite el diseño de programas con código auto-modificable, práctica bastante usada en las antiguas computadoras que solo tenían acumulador y pocos modos de direccionamiento, pero innecesaria, en las computa-doras modernas.
LA ARQUITECTURA HARVARD
La arquitectura conocida como Harvard, consiste simplemente en un esquema en el que el CPU esta conectado a dos memorias por intermedio de dos buses sepa-rados. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa, y es llamada Memoria de Programa, figura 5 . La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria de Datos. Ambos buses son totalmente independientes y pue-den ser de distintos anchos. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus de la memoria de programa pueden diseñarse de manera tal que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Además, como los
Figura 4
Teoría
buses son independientes, el CPU puede estar accediendo a los datos para comple-tar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo escomple-tar leyendo la próxima ins-trucción a ejecutar. Podemos observar claramente que las principales ventajas de esta arquitectura son:
a) El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posi-ción de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.
b) El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad de operación.
Una pequeña desventaja de los procesadores con arquitectura Harvard, es que deben poseer instrucciones especiales para acceder a tablas de valores constantes que pueda ser necesario incluir en los programas, ya que estas tablas se encontra-ran físicamente en la memoria de programa (por ejemplo en la EPROM de un micro-procesador).
EL PROCESADOR O CPU
Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su deco-dificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la bús-queda de los operandos y el almacenamiento del resultado.
Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales, figura 6.
CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su reper-torio, 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 ins-trucciones complejas que actúan como macros.
RISC: En este caso la idea es que el microcontrolador reconoce y ejecuta sólo operaciones básicas (sumar, restar, copiar etc.). Las operaciones más complicadas se realizan al combinar éstas (por ejemplo, multiplicación se lleva a cabo al realizar adición sucesiva). Es como intentar explicarle a
alguien con pocas palabras cómo llegar al aeropuerto en una nueva ciudad. Sin embargo, no todo es tan oscuro. Además, el microcontrolador es muy rápido así que no es posible ver todas las “acrobacias” aritméticas que realiza. El usuario sólo puede ver el resultado final de todas las operaciones. Por último, no es tan difícil explicar dónde está el aeropuerto si se utilizan las palabras adecuadas tales como: a la derecha, a la izquierda, el kilómetro etc.
SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es “específico”, o sea, las instruc-ciones 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).
En la figura 7 podemos observar la estructura típica de un microcontrolador con todos los elementos que lo componen.
MEMORIA
En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio circuito integrado. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.
Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de las compu-tadoras tipo PC:
No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes. Como el microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria de progra-ma, sólo hay que almacenar un único programa de trabajo.
La memoria de datos (RAM) en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la memoria de programa (ROM).
El usuario de PC está habituado a manejar Megabytes de memoria, pero los dise-ñadores con microcontroladores trabajan con capacidades de memoria de programa de 512 bytes, 1K, 2K (hasta unos 64K) y de RAM de 20 bytes, 68 bytes, 512 bytes (hasta unos 4K).
Figura 7
Celda de memoria de una ROM con máscara
Práctica
Según el tipo de memoria de programa que dispongan los micro-controladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado:
1º. ROM con Máscara
Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip.
Máscara viene de la forma cómo se fabrican los circuitos integra-dos. Estos se fabrican en obleas que contienen varias decenas de chips. Estas obleas se obtienen a partir de procesos fotoquímicos, donde se impregnan capas de silicio y oxido de silicio, y según conven-ga, se erosionan al exponerlos a la luz. Como no todos los puntos han de ser erosionados, se sitúa entre la luz y la oblea una máscara con agujeros, de manera que donde deba incidir la luz, esta pasará. Con varios procesos similares pero más complicados se consigue fabricar los transistores y diodos que componen un circuito integrado.
El elevado costo del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el
empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan can-tidades superiores a varios miles de unidades.
2ª. OTP
El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura “programa-ble una sola vez” por el usuario. OTP (One Time Programma“programa-ble). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas.
Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido.
3ª EPROM
Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta duran-te varios minutos. Las cápsulas son de maduran-terial cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico. Hoy día se utilizan poco, siendo sustituidas por memorias EEPROM o Flash.
4ª EEPROM
Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programa-ción como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie.
Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM, una vez instalados en el circuito integrado, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser reti-rados 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 tra-bajo.
Organización interna de una memoria ROM
Celda de memoria de una EPROM
El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es fini-to, por lo que no es recomendable una reprogramación continua. Hoy día están sien-do sustituidas por memorias de tipo Flash.
Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómo-damente 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 peque-ña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM.
La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Son idóneas para la enseñanza y la Ingeniería de diseño.
Las celdas de memoria se encuentran constituidas por un transistor MOS de puerta apilada, el cual se forma con una puerta de control y una puerta aislada. La compuerta aislada almacena carga eléctrica cuando se aplica una tensión lo sufi-cientemente alta en la puerta de control. De la misma manera que la memoria EPROM, cuando hay carga eléctrica en la compuerta aislada, se almacena un 0, de lo contrario se almacena un 1.
Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontro-ladores 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 modi-ficarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas pie-zas, etc. La reprogramación del microcontrolador puede convertirse en una labor rutinaria dentro de la puesta a punto.
PUERTOS DE ENTRADA Y SALIDA
La principal utilidad de las patillas que posee la cápsula que contiene un micro-controlador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores y según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.
Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patillas a soportar líneas de E/S de tipo digital, esto es, todo o nada. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos. Las líneas digitales de los Puertos pueden con-figurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspon-diente de un registro destinado a su configuración.
RELOJ PRINCIPAL
Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema. Esta señal del reloj es el motor Celda de memoria de una
FLASH
Cómo se carga una memoria FLASH
Práctica
del sistema y la que hace que el programa y los contadores avancen. Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de traba-jo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C.
Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado un incremento del consumo de energía y de calor generado.
RECURSOS ESPECIALES
Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplica-ciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el costo, el hardware y el software.
Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son: Temporizadores o “Timers”.
Perro guardián o “Watchdog”.
Protección ante fallo de alimentación o “Brownout”. Estado de reposo o de bajo consumo.
Conversor A/D. Conversor D/A. Comparador analógico.
Modulador de anchura de impulsos o PWM. Puertos de comunicación.
Temporizadores o “Timers”
Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores).
Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a con-tinuación dicho valor se va incrementan-do o decrementanincrementan-do 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 flan-cos en alguna de las patillas del micro-controlador, el mencionado registro se va incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.
Perro Guardián o “Watchdog” Cuando un ordenador personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el botón del reset y se rei-nicializa el sistema.
C
URSO DET
ÉCNICOS
UPERIOR ENE
LECTRÓNICAEn la mayoría de los casos y a diferencia de un ordenador per-sonal, un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continuada las 24 horas del día y 365 días al año. El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se des-borda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el siste-ma.
Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro guardián antes de que pro-voque el reset. Si falla el programa o se bloquea, el programa no refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, pro-vocará el reset del sistema.
Protección Ante Fallo de Alimentación o “Brownout”
Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo (“brownout”). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcionar normal-mente cuando sobrepasa dicho valor. Esto es muy útil para evitar datos erróneos por transiciones y ruidos en la línea de alimentación.
Estado de Reposo ó de Bajo Consumo
Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que lo ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los apa-ratos portátiles), los microcontroladores disponen de una instrucción especial (SLEEP), que los pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los reque-rimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se “congelan” sus circuitos asociados, quedando sumido en un profundo “sueño” el microcontrolador. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo. Para hacernos una idea, esta función es parecida a la opción de Suspender en el menú para apagar el equipo (en aquellos PCs con administración avanzada de energía).
Conversor A/D (CAD)
Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas seña-les analógicas desde las patillas del circuito integrado.
Conversor D/A (CDA)
Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patillas de la cápsula. Existen muchos dispositivos de salida que trabajan con señales analógicas.
Comparador Analógico
Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de refe-rencia y otra variable que se aplica por una de las patillas de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.
También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de refe-rencia que proporciona diversas tensiones de referefe-rencia que se pueden aplicar en los comparadores.
Modulador de Ancho de Pulsos o PWM
Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que Reset por caida de tensión
Circuito típico de activación de estado de reposo
Práctica
se ofrecen al exterior a través de las patillas del encapsulado. Resulta útil para sistemas de control de potencia, como por ejemplo motores.
Puertos de Comunicación
Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comu-nicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesa-dores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos. Algunos modelos dis-ponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:
UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.
USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona Puerto paralelo esclavo para poder conectarse con los buses de otros microprocesadores.
USB (Universal Serial Bus), el conocido bus serie para los PC. Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por
Philips.
Interface SPI, un puerto serie síncrono.
CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.
TCP/IP, ya existen microcontroladores con un adaptador de comunicación para este protocolo.
Tanto el I2C en televisores, como el Bus CAN en automóviles, fueron diseñados
para simplificar la circuitería que supone un bus paralelo de 8 líneas dentro de un televisor, así como para librar de la carga que supone una cantidad ingente de cables en un vehículo.
HERRAMIENTAS DE DESARROLLO DE LOS MICROCONTROLADORES
Las herramientas de desarrollo están formadas por un conjunto de programas e interfaces que permiten realizar los proyectos de la forma más eficiente posible.
Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de sistemas basados en microcontroladores se describen a continuación:
Ensamblador
La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cual-quier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los micro-controladores más populares.
Compilador
La programación en un lenguaje de alto nivel (como C o Basic) permite dis-minuir el tiempo de desarrollo de un producto y si además está familiarizado con C o Basic es una buena opción.
No obstante, cuando el compilador convierta el código del programa a un lenguaje ensamblado, cada línea de código del programa en lenguaje de alto nivel habrá generado bastantes más líneas de código en lenguaje
ensambla-Estructura de un microcontrolador
Herramientas de desarrollo de los microcontroladores
dor, normalmente en una relación de uno a tres. Esto significa que para utilizar un lenguaje de alto nivel necesitaremos un microcontrolador con una capaci-dad de memoria relativamente grande.
Si el programa que estamos desarrollando necesi-ta utilizar números con decimales, o con nonecesi-tación científica o se utilizan operaciones complejas, como pueden ser las trigonométricas, es casi obligado utili-zar un lenguaje de alto nivel. Pero si lo que se va a hacer es manipular bits en registros, entradas, salidas y cálculos sencillos, el lenguaje ensamblado es la mejor opción.
Las versiones más potentes de compiladores sue-len ser muy caras, aunque para los microcontrolado-res más populamicrocontrolado-res pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos. Como compilador gratuito puede utilizarse el compilador C GNU, que es un com-pilador C de código abierto tan bueno como los comcom-piladores C comerciales pero que sin embargo tiene un proceso de instalación que no es sencillo. Además hay que comprobar que arquitecturas de microcontrolador soporta. Algunas de las cuales son MSP430 de TI, AVR de Atmel y HC11 de Motorola, (ver www.gnu.org y www.fsf.org). También puede conseguirse un compilador C GNU en binario ya cons-truido. Por ejemplo para la arquitectura ARM puede conseguirse un compilador C GNU binario para win32 desde www.gnuarm.com, que trabaja con línea de coman-dos e incluye un depurador de código. Para obtener un entorno de desarrollo (IDE) para windows que pueda utilizarse con el conjunto de herramientas GNU puede uti-lizarse la aplicación VIDE, que puede conseguirse en www.objectcentral. com/vide.htm.
Simulador
Se trata de software que es capaz de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del micro-controlador. 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.
Placas de Evaluación
Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que sue-len conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc. Pueden incluir un programa de control o sistema ope-rativo que recibe el nombre de programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del microcontrolador o modificar los valores almacena-dos los registros o en la memoria.
Por motivos de espacio, debemos terminar el tema aquí, sin embargo aclaramos que en el CD correspondiente a esta lección encontrará la información completa tanto de la sección Teoría como de las secciones Práctica y Taller. J
Placa de entrenamiento para aprender microcontroladores
Microcontroladores Atmel
G
eneralidades y
C
araCterístiCas de los
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tMel
Los AVR son una familia de microcontroladores RISC de Atmel. La arquitectura de los AVR fue concebida por dos estudiantes en el “Norwegian Institute of Technology” y, pos-teriormente, refinada y desarrollada en Atmel Norway, empresa subsidiaria de Atmel, fun-dada por los dos arquitectos del chip. El AVR es un microcontrolador (CPU) de arqui-tectura Harvard con 32 registros de 8 bits. Algunas instrucciones sólo operan en un sub-conjunto de estos registros. La concatenación de los 32 registros, los registros de entra-da/salida y la memoria de datos conforman un espacio de direcciones unificado, al cual se accede a través de operaciones de carga/almacenamiento. A diferencia de los micro-controladores PIC, el stack se ubica en este espacio de memoria unificado, y no está limitado a un tamaño fijo. El AVR fue diseñado desde un comienzo para la ejecución efi-ciente de código C compilado. Por lo tanto, algunas instrucciones tales como 'suma inmediata' ('add immediate' en inglés) no están incluidas, ya que puede usarse la ins-trucción 'resta inmediata' ('substract immediate' en inglés) con el complemento dos como una alternativa. El set de instrucciones AVR está implementado físicamente y dis-ponible en el mercado en diferentes dispositivos, que comparten el mismo núcleo AVR pero tienen distintos periféricos y cantidades de RAM y ROM: desde el microcontrolador de la familia Tiny AVR ATtiny11 con 1kB de memoria flash y sin RAM (sólo los 32 regis-tros), y 8 pines, pasando por el microcontrolador de la familia Mega AVRATmega2560 con 256kB de memoria flash, 8kB de memoria RAM, 4kB de memoria EEPROM, conver-sor análogo digital de 10 bits y 16 canales, temporizadores, comparador analógico, JTAG, etc. Hay una gran compatibilidad entre los diferentes modelos.
IntroDuCCIón
Luegodepreguntaradiferentesfuentessobre el origen del nombreAVR, propuesto porAtmel para estos microcontroladores, desconozco la verdaderaetimologíadeestassiglas,sinembar-gopodríandebersealosiguiente:
1) Au dio, Vi deo, Ra dio: Mi cro con tro la do res pen sa dos pa ra apli ca cio nes en au dio, vi deo y ra -dio.
2) Ad van ced Vir tual Risc.
3) Co rres pon de a las ini cia les de sus in ven to res: Alf Egil Bo gen and Ve gard Wo llan (Alf Ve gar -dRisc).
ElAVRfuediseñadoparalaejecucióndepro-gramas escritos en código C compilado. Por lo tanto,algunasinstruccionesnoestán;porejem-plo, no existe la instrucción 'suma inmediata' ('addimmediate'),yaquelainstrucción'restain-mediata' ('substract immediate') con el comple-mentoadospuedeserusadacomoalternativa.
Los microcontroladores AVR poseen una esructuratipo“pipeline”condosetapas(cargary ejecutar),quelespermiteejecutarlamayoríaen un ciclo de reloj, lo que los hace relativamente rápidosentrelosmicrocontroladoresde8-bit.
El set de instrucciones de los AVR es más regularqueladelamayoríadelosmicrocontro-ladores de 8-bit (por ejemplo, los PIC). Sin embargo,noescompletamenteortogonal:
• Los registros punteros X, Y y Z tienen capa-cidades de direccionamiento diferentes entre sí.
• Los registros 0 al 15 tienen diferentes capa-cidades de direccionamiento que los registros 16 al 31.
• Las registros de I/O 0 al 31 tienen distintas características que las posiciones 32 al 63.
• La instrucción CLR afecta los 'flag', mientras que la instrucción SER no lo hace, a pesar de que parecen ser instrucciones complementarias (dejar todos los bits en 1, y dejar todos los bits en 0 respectivamente).
• Los códigos de operación 0x95C8 y 0x9004 hacen exactamente lo mismo (LPM).
ComolosPIC,tieneunacomunidaddesegui-dores (ejemplificadas por el foro de internet AVRFreaks),principalmentedebidoalaexisten-ciadeherramientasdedesarrollogratuitasode bajo costo. Estos microcontroladores están
soportados por tarjetas de desarrollo de costo razonable, capaces de descargar el código al microcontrolador,yporunaversióndelasherra-mientas GNU. Hoy en día se han hecho mucho másfamososgraciasalaplataformaARDUINO, delacualhablaremosmásadelante.Sinembar- go,parapodercomenzarahablardelosmicro-controladores más pequeños de 8 bits, primero haremosunabreveintroducciónalosmicrocon-troladores.
LafamiliademicrocontroladoresAVResbas-tanteextensaytodascompartenelmismonúcleo AVR, pero tienen distintos periféricos y cantida-des de RAM y ROM: cantida-desde el microcontrolador delafamiliaTinyAVRATtiny11con1kBdeme-moriaflashysinRAM(sólolos32registros),con unencapsuladode8pines,hastaelmicrocontro-lador de la famila Mega AVRATmega2560 con 256kBdememoriaflash,8kBdememoriaRAM, 4kBdememoriaEEPROM,conversoranálogodi-gital de 10 bits y 16 canales, temporizadores, comparadoranalógico,etc.
Cadacomponentedelafamiliasehadiseña-do para que guarde cierta compatibilidad con el resto. Los microcontroladores AVR permiten la ejecucióndeinstruccionesmediantelametodolo-gía'pipeline'condosetapas(cargaryejecutar), quelespermiteejecutarlamayoríadelasinstruc- cionesenunciclodereloj,loqueloshacerelati-vamenterápidosentrelosmicrocontroladoresde 8bits.
Como una primera síntesis, podemos decir queelsetdeinstruccionesdelosAVResbastan-te “regular”, queelsetdeinstruccionesdelosAVResbastan-teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:
• Los re gis tros pun te ros X, Y y Z tie nen ca pa
-ci da des de di rec -cio na mien to di fe ren tes en tre sí.
• Los re gis tros 0 al 15 tie nen di fe ren tes ca pa
-ci da des de di rec -cio na mien to que los re gis tros 16 al 31.
• Las re gis tros de I/O 0 al 31 tie nen dis tin tas
ca rac te rís ti cas que las po si cio nes 32 al 63.
• La ins truc ción CLR afec ta los 'flag', mien tras
que la ins truc ción SER no lo ha ce, a pe sar de que pa re cen ser ins truc cio nes com ple men ta rias (de -jar to dos los bits en 1, y de -jar to dos los bits en 0 res pec ti va men te).
• Los có di gos de ope ra ción 0x95C8 y 0x9004
ha cen exac ta men te lo mis mo (LPM).
AsícomolosPICsposeenun“entornodede-sarrollo” (MPLAB), losAVR también poseen
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ArAcTerísTicAs de losM
icroconTrolAdoresA
TMel rramientasdedesarrollogratuitasodebajocos- tocapacesdedescargarelcódigoalmicrocontro-ladorutilizandounaversióndelasherramientas delicencialibreGNU. Ahorabien,comoesprobablequeesteartícu-lo esté siendo leído por estudiantes y/o princi-piantes,vamosadarunabreveintroducciónque explique qué es un microcontrolador y para qué seloemplea.Paraestepropósitoemplearemos definiciones realizadas por Emilio Toboso en su página www .per so .wa na doo.e s/e mi lio to bo so.Cabeaclararqueenellibro“PICparaEstudian- tes”,deEditorialQuark,Ud,puedeencontrarbi- bliografíaextensasobreeltemayqueenlapági- nadelSr.Tobosotambiénpodráencontrarabun- danteinformaciónorientadaalosmicrocontrola-doresPICs,
In tro DuC CIón a losMI Cro Con tro la Do res
Desdelainvencióndelossemiconductores,el desarrollodelatecnologíadigitalhadadolugara dispositivos cada vez más complejos y rápidos. Entreelloslosmicroprocesadoresylosmicrocon-troladores.Losmicrocontroladoresseencuentran ennuestrotrabajo,ennuestracasayennuestra vida.Controlanelfuncionamientodelosteclados delascomputadoras,estánenlosteléfonoscelu-lares,enloshornosdemicroondasy,engeneral, entodoaparatoelectrónicoqueposeaungrado deautomatismo.
Se dice que un controlador es un dispositivo queseempleaparamanejarunoovariosproce- sos.Porejemplo,paravertelevisión,uncontrola-dorevalúalaseñalqueingresaporlaantenayla procesaparaquealapantallayelparlantellegue conelmismonivelpromedio,sinimportarelnivel de la señal ingresante, siempre que esté dentro de determinados parámetros. Hasta hace unos 35 años, los controladores se construían con componentes electrónicos de lógica discreta; posteriormente se emplearon los microprocesa- dores,apoyadosconchipsdememoriaydisposi-tivosdeE/Ssobreunatarjetadecircuitoimpreso. Desdecomienzosdelos90todosloselementos del controlador se han podido incluir en un solo circuitointegrado,elcualrecibeelnombredemi-crocontrolador. Es decir, un microcontrolador es unchipqueposeeensuinterioraunmicroproce-sador,memoriadeprograma,memoriadedatos ypuertosparacomunicarseconelexterior.
Un microcontrolador es un circuito integrado
de alta escala de integración que incorpora la mayorpartedeloselementosqueconfiguranun controladoryquecontienetodosloscomponen- tesfundamentalesdeunordenador,aunquedeli-mitadas prestaciones y que se suele destinar a gobernarunasolatarea. Enlamemoriadeprogramadeberesidirun conjuntodesentencias(programa)quecontrolan elfuncionamientodeunatareadeterminada,sus líneasdeentrada/salidaseconectanalossenso- resyactuadoresdeldispositivoacontrolary,de-bidoasupequeñotamaño,sueleirintegradoen elpropiodispositivoalqueautomatiza.
Según lo dicho, un microcontrolador dispone normalmentedelossiguientescomponentes:
• Pro ce sa dor o CPU (Uni dad Cen tral de Pro
-ce so).
• Me mo ria RAM pa ra con te ner los da tos. • Me mo ria pa ra el pro gra ma ti po RO M/E PRO
-M/EE PROM /Flash.
• Lí neas de E/S pa ra co mu ni car se con el ex
-te rior.
Tambiénpuedeposeerotrosbloquesdeapo-yoqueflexibilizanaúnmássuuso,talescomo:
• Mó du los pa ra el con trol de pe ri fé ri cos: tem
po ri za do res, puer tos se rie y pa ra le lo, CAD: Con ver so res Ana ló gi co /Di gi tal, CDA: Con ver so res Di -gi ta l/A na ló -gi co, etc.
• Ge ne ra dor de im pul sos de re loj que sin cro
-ni zan el fun cio na mien to de to do el sis te ma.
• Sis te mas de pro tec ción de so bre co rrien te o
cor to cir cui to.
Cadafabricantedemicrocontroladoresoferta unelevadonúmerodemodelosdiferentes,desde los más sencillos hasta los más poderosos. Se puedeseleccionarlacapacidaddelasmemorias, elnúmerodelíneasdeE/S,lacantidadypoten-cia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muyimportantedeldiseñodeunsistemamicro-controladoeslaseleccióndelmicrocontroladora utilizar.
Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladoresparacontrolarpequeñaspar-tesdelsistema.
Estospequeñoscontroladorespodríancomu-nicarse entre ellos y con un procesador central, probablementemáspotente,paracompartirlain-
formaciónycoordinarsusaccionescomo,dehe- cho,ocurreyahabitualmenteencualquierPC.Al-gunas aplicaciones de los microcontroladores son:
• En sis te mas de co mu ni ca ción: cen tra les te le fó
ni cas, trans mi so res, re cep to res, té le fo nos fi jos, ce lu -la res, fax, etc.
• En elec tro do més ti cos: la va rro pas, hor nos de mi
croon das, he la de ras, la va va ji llas, te le vi so res, re pro duc to res de DVD, mi ni com po nen tes, con tro les re mo -tos, etc.
• In dus tria in for má ti ca: Se en cuen tran en ca si to
dos los pe ri fé ri cos; ra to nes, te cla dos, im pre so ras, es -cá ner, etc.
• Do mó ti ca: sis te mas de alar ma y se gu ri dad, con
-trol de pro ce sos ho ga re ños a dis tan cia, etc.
• Au to ma ción: cli ma ti za ción, se gu ri dad, ABS, etc. • In dus tria: Au tó ma tas, con trol de pro ce sos, etc. • Otros: Ins tru men ta ción, elec tro me di ci na, as cen
-so res, ca le fac ción, ai re acon di cio na do, sis te mas de na ve ga ción, etc.
Enlafigura1sepuedeapreciarladistribución de los microcontroladores en las áreas de más uso.
ar quI teC tu ras DePro Ce so
En general, los microcontroladores poseen dosformasdetrabajoencuantoalosdatosydi- recciones.LaarquitecturadeVonNeumann(figu- ra2)secaracterizapordisponerdeunasolame- moriaprincipaldondesealmacenandatoseins-trucciones de forma indistinta.A dicha memoria seaccedeatravésdeunsistemadebusesúnico (direcciones,datosycontrol)mientrasquelaar- quitecturaHarvard(figura3)disponededosme-morias independientes, una que
contienesóloinstruccionesyotra sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de bu- sesdeaccesoyesposiblereali- zaroperacionesdeacceso(lectu-ra o escritura) simultáneamente enambasmemorias. launI DaDCen tral DePro Ce so oCPu Eselelementomásimportan- tedelmicrocontroladorydetermi-nasusprincipalescaracterísticas,tantoanivelde hardwarecomodesoftware. Seencargadedireccionarlamemoriadeins-trucciones,recibirelcódigoOPdelainstrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operaciónqueimplicalainstrucción,asícomola búsquedadelosoperandosyelalmacenamiento delresultado.
ExistentrestiposdeCPUencuantoalafor-made“procesar”lasinstrucciones:
• CISC: Un gran nú me ro de pro ce sa do res
usa dos en los mi cro con tro la do res es tán ba sa dos en la fi lo so fía CISC (Com pu ta do res de Jue go de Ins truc cio nes Com ple jo). Dis po nen de más de 80 ins truc cio nes de má qui na en su re per to rio, al gu nas de las cua les son muy so fis ti ca das y po ten -tes, re qui rien do mu chos ci clos pa ra su eje cu ción. Una ven ta ja de los pro ce sa do res CISC es que ofre cen al pro gra ma dor ins truc cio nes com ple jas que ac túan co mo ma cros.
• RISC: Tan to la in dus tria de los com pu ta do
res co mer cia les co mo la de los mi cro con tro la do -res, es tán de can tán do se ha cia la fi lo so fía RISC (Com pu ta do res de Jue go de Ins truc cio nes Re du ci do). En es tos pro ce sa do res el re per to rio de ins truc cio nes de má qui na es muy re du ci do y las ins truc cio nes son sim ples y, ge ne ral men te, se eje -cu tan en un ci clo. La sen ci llez y ra pi dez de las ins truc cio nes per mi ten op ti mi zar el hard wa re y el soft wa re del pro ce sa dor.
• SISC: En los mi cro con tro la do res des ti na dos
a apli ca cio nes muy con cre tas, el jue go de ins truc -cio nes, ade más de ser re du ci do, es "es pe cí fi co"; o sea, las ins truc cio nes se adap tan a las ne ce si -da des de la apli ca ción pre vis ta. Es ta fi lo so fía se ha bau ti za do con el nom bre de SISC (Com pu ta -do res de Jue go de Ins truc cio nes Es pe cí fi co).
