Universidad Nacional de Ingeniería

Arquitectura de Maquinas I

Unidad III: Introduccion a los Microcontroladores PIC MICROCHIP

Diseño de sistemas empotrados.

Contenidos

Sistemas EmbebidosModulos de un Sistema EmpotradoSubsistemas de ControlMódulo de AlimentacionMódulo de Entrada

• Interruptores• Filtros Antirrebotes• Teclados• Potenciometros• Sensores

Módulo de Salidas (LED y LCD)MotoresSeñales AnalogicasAlternativa de los MCU.

Sistemas Embebidos

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Un sistema embebido o empotrado es un sistema de computación diseñado para realizar una o algunas pocas funciones dedicadas frecuentemente en un sistema de computación en tiempo real. Los sistemas embebidos se utilizan para usos muy diferentes a los usos generales a los que se suelen someter a las computadoras personales.

El sistema embebido es por tanto un ordenador especializado para una solución especializada en donde prevalecen las siguientes características:

Esta especialmente diseñado para la solución óptima de la tarea o tareas a resolver.Generalmente es una "pieza especializada" instalada en un sistema anfitriónA diferencia de un PC, el sistema embebido se dota con los módulos estrictamente necesarios para su función. De ahí su coste óptimo.Es una solución única en el mercado, no existe otra igual.

La incorporación de un sistema embebido proporciona a un producto un valor añadido importante que lo distingue claramente de los productos de la competencia. Esto es posible gracias a que el sistema embebido con respecto a la solución anterior proporciona una:

Solución más precisa y rápida en su especialidad respecto a la solución anteriorMayor número de opciones respecto a la solución anteriorCoste reducido, por lo tanto reducción de costes en el proceso de fabricaciónAumenta la competitividad del producto por su diferenciación respecto a otros productos similares

Sistemas Embebidos

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Modulos de un Sistema Empotrado

Suele haber cinco tipos de módulos en el hardware de un sistema empotrado: Subsistema de control (unidad de proceso). Módulo de alimentación. Módulos de entrada. Módulos de salida. Módulos de entrada/salida.•Vamos a ver en detalle cada módulo, centrándonos únicamente en sistemas empotrados basados en microcontroladores PIC16.

Subsistema de Control

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Habitualmente consta únicamente del conexionado básico del microcontrolador, aunque muchas veces puede requerir otros componentes, como conexión con una memoria adicional (EEPROM o RAM)

Módulo de Alimentación

El microcontrolador necesita una fuente de alimentación que proporcione corriente continua de 5V o menos. • Otros módulos pueden requerir su propia fuente de alimentación, que proporcione otros voltajes (motores, ...).• Para obtener una fuente de alimentación continua de 5V a partir de la corriente alterna de 120V:1.Un transformador baja los 120V a un voltaje algo superior a 5V (por ejemplo, 9V).2.Un rectificador (puente de diodos) convierte la forma de onda que alterna entre voltaje positivo y negativo en otra que sólo tiene voltaje positivo:3.La onda se filtra mediante un condensador4.Mediante un regulador de tensión, fijamos el voltaje a 5V

Un sistema empotrado suele tener tres tipos diferentes de entrada:

Módulos de adquisición de datos (sensores, ...). Entrada de interfaz con el usuario (botones, interruptores, ruedas, ...). Comunicación con sistemas externos (entrada/salida).

• La comunicación con sistemas externos se realizará mediante alguno de los sistemas de comunicación que implementan los PIC (USB, SERIAL, PARALELO...)

• Para el resto de entradas vamos a ver los esquemas de conexionado de las entradas más habituales hacia un microcontrolador PIC:

Interruptores. Teclados. Potenciómetros. Sensores

Módulos de Entrada

Interruptores

Interruptores, botones, palancas, switches, bumpers... Son todos componentes que permiten al usuario alternar entre dos posibles entradas, habitualmente 0v y 5v.

• Si el interruptor tiene 3 patas, podemos conectar sin más Vcc y Gnd a las dos entradas, y la tercera pata es la salida:

• Si sólo hay dos patas, entonces tenemos que utilizar una resistencia de pull-up o pull-down. Ejemplo de interruptor con pull-down:

El cambio de estado en la salida ante la pulsación de un interruptor dista mucho de ser ideal.

Ideal Real• Si este interruptor controla algún cambio de estado o cualquier módulo que se active por flancos, obtendremos transiciones no deseadas. Es necesario filtrar los pulsos no deseados:

Por software: retardando la lectura cuando se recibe el primer flanco. Por hardware, mediante filtro RC. Por hardware, mediante biestables.

• Otra opción es combinar un circuito RC con un inversor Schmitt (histéresis):

Filtro Antirebotes

Filtro RC.Biestables.

RC con un inversor Schmitt (histéresis)

Filtro Antirebotes

Un teclado con muchas teclas, como el de un PC, es un sistema empotrado en sí mismo con su propio microcontrolador. Se comunica con otros sistemas (como el PC) mediante un protocolo de comunicación.• Si queremos manejar teclados pequeños, podemos hacerlo dejando toda la tarea de control en nuestro propio sistema. Es típico hacerlo así con teclados numéricos de 4x4 (teclados matriciales).

Teclados

Potenciómetros

• Los potenciómetros son las típicas ruedas y deslizadores en las interfaces.

• Actúan como una resistencia cuyo valor varía en función del giro o del deslizamiento.• Se han de conectar a una entrada analógica del PIC.

• Potenciómetro digital: Se utiliza en interfaces digitales (subir volumen con un botón en lugar de con una rueda). Se comunican con la MCU mediante una interfaz serie (SPI, I2C...), y actúan como un potenciómetro en función de las señales de entrada. Su resolución suele variar entre 32 y 1024.

Los sensores nos permiten obtener medidas físicas del mundo externo al sistema empotrado. Lo que hacen es transducir una magnitud física en otra, concretamente de tipo eléctrico (resistencia, capacidad, corriente o voltaje).

• Hay sensores para medir:

Temperatura (termistor, termocupla, pirómetros...). Distancia/proximidad a un obstáculo (ultrasonidos, infrarojos...). Presión (piezoresistivos, efecto Hall...). Luz (fototransistor, LDR...). Humedad. Químicos (gases, pH...). Colores (CCD...). Flexión, torsión y estiramiento (galgas extensiométricas, ...). Contacto (bumper, resistivos...). Sonido (micrófono...). Aceleración (acelerómetros...). Caudal (rotámetros...). Inclinación (inclinómetros...). Rotación o posición lineal (encoder, potenciómetro...)

Sensores

Módulos de Salida (LED y LCD)

• Algunas salidas típicas en los sistemas empotrados, aparte de salidas complejas mediante protocolos de comunicación:

LED. LCD. Motores. Señales de alto voltaje. Señales analógicas.

R determina el brillo y el consumo del LED. En torno a 330Ω suele ser un buen compromiso.

LED• LCD: Liquid Crystal Display.• Hay multitud de LCDs, pero vamos a ver un caso muy sencillo: 2 filas x 16 columnas.• Pines del LCD: RS: Si es 0, escribimos órdenes sobre el registro de control. Si es 1, escribimos caracteres sobre el registro de datos. E: Enable. R/W: lo podemos fijar en escritura. D7-D0: bus de datos bidireccional. Vo: contraste.

• Hay diferentes tipos de motores:

Servos:• Motor muy preciso utilizado en robótica, modelismo, ...• Habitualmente, giro de 180º. • Incorpora una reductora y un circuito de control. • Se controlan mediante PWM.• Control por posición: si lo giras manualmente, hace fuerza para volver a su posición.

Motores de corriente continua:• Gran velocidad y poca precisión juguetes, giro de lector CD, ...• Giro infinito.• Velocidad y par se controlan por tensión PWM reduce sólo velocidad.• Se suele utilizar un circuito de Puente en H para controlarlo:

Motores paso a paso:• Control por posición en unos pocos pasos discretos.

Motores

Señales Analógicas

• Además de los microcontroladores hay otras opciones para construir sistemas Empotrados:

Sistemas basados en microprocesador: cuando se requiere mucha potencia de cálculo. Sistemas basados en FPGA y ASIC: sistemas muy específicos. Sistemas basados en DSP: cuando se requiere un tratamiento intensivo de señales (imagen, sonido, comunicaciones...)

• DSP: Digital Signal Processor. Procesadores diseñados específicamente para optimizar los cálculos relacionados con el tratamiento de señales: transformadas, filtros, convoluciones, …

• Microchip tiene una familia de DSPs denominados dsPIC: 16 bits. De 28 a 100 pines. 2 familias:• dsPIC30F: gama básica.• dsPIC33F: gama alta.

Alternativas a los MCU (DSP)

• Principales diferencias con microcontroladores: Operaciones matemáticas complejas un un solo ciclo. Algunas instrucciones específicas (MAC...). Conversores AD rápidos y precisos. Diseñados para ser programados en alto nivel (C) mejor que en ensamblador. El fabricante provee librerías de alto nivel.

• Microchip tiene una familia de DSPs denominados dsPIC. En realidad, Microchip los llama DSC (Digital Signal Controller), ya que son un híbrido entre una MCU y un DSP de gama baja:

• dsPIC30F: gama básica. 16 bits. 30 MIPS. De 28 a 80 pines. Hasta 144KB de programa, 8KB de RAM y 4KB de EEPROM. Conversores A/D de hasta 500kbps y 12 bits (hasta 16 por chip). 30 MIPS.

• dsPIC33F: gama alta. 16 bits. 40 MIPS. De 28 a 100 pines. Hasta 256KB de programa, 30KB de RAM, sin EEPROM. Conversores A/D de hasta 2’2Mbps y 12 bits (hasta 32 por chip). Controlador de DMA (8 canales).

Alternativas a los MCU (DSP)

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