Introducción a los microcontroladores. Circuitos Digitales. Introducción a los microcontroladores. Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Autor: Ing. Serafin Castañeda Cedeño.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Antecedentes Inicialmente los sistemas electrónicos de control se hacían exclusivamente con componentes lógicos. Eran cajas grandes, pesadas y de elevado consumo de energía. Después se utilizaron microprocesadores y el sistema de control entero podía encajar dentro de una tarjeta de circuito impreso. Aún, se pueden encontrar muchos sistemas basados en microprocesador (Zilog Z80, Intel 8088, Motorola 6809, y otros). Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Arquitectura de un microprocesador (CPU). Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Qué es un microcontrolador? Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Con el avance de la miniaturización, todos los componentes que se requieren para un sistema de control se construyó dentro de un chip, nació el microcontrolador. Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye todos (o casi) los componentes necesarios para tener un sistema de control completo. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Encapsulados Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

“La solución en un chip” CPU RAM , EPROM/PROM/ROM I/O (input/output) - serie y paralelo Temporizadores/Contadores Sistema de interrupciones. Los modelos más potentes incluyen además : Sistemas auxiliares (A/D, D/A, dsp ..) Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Aplicaciones: Aparatos electrodomésticos: Microondas, Hornos, Frigoríficos, Televisión, Vídeos, Equipos sonido Equipos informáticos: Impresoras, Copiadoras láser, Módems,Unidades de disco. Automóviles Mando de sistemas del automóvil (ABS,Inyeccion,Encendido..), Diagnósticos,Climatizador Mando medioambiental Invernadero, Fábrica, Casa Instrumentación, Sistemas aerospaciales . Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Los microcontroladores se usan típicamente donde la potencia de procesamiento no es importante. El tamaño de los microcontroladores es pequeño y consumen muy poco, esto los hace ideales para sistemas portátiles y autónomos. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Tipos de microcontroladores. Por tamaño de bus: de 4, 8, 16, y 32 bits Por aplicación: Comunicaciones, Manejo del teclado, procesamiento. Por velocidad de operación: 8, 10, 12, 20 MHz. Por capacidad de memoria: 1, 2, 4, 8 16, 32 Kbytes de memoria de programa. Por tipo de memoria: OTP, ROM, EPROM, EEPROM, FLASH. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Aplicaciones industriales: El mercado de automóvil es el sector que más microcontroladores compra. Varias familias de microcontroladores se desarrollaron específicamente para aplicaciones del automóvil, posteriormente se modificaron para otras aplicaciones. El sector del automóvil es exigente. Los circuitos electrónicos deben operar bajo temperaturas extremas y deben resistir las vibraciones, interferencias y ruidos eléctricos (EMI). La electrónica empleada debe ser fiable, pues un fallo puede provocar un accidente, pero debido a la competencia, el precio de estos circuitos es bajo. El automóvil no es el único mercado que está creciendo. DataQuest* dice que en cada casa de los países desarrollados hay 35 microcontroladores. Para el año 2000, ese número crecerá a 240. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

¿qué microcontrolador usar? Para decidir el tipo de dispositivo a utilizar para un proyecto, hemos de considerar lo siguiente: ¿Puedo obtener ayuda cuando tenga problemas? ¿Qué herramientas de desarrollo están disponibles y cuanto cuestan?. ¿Que clase de documentación tengo disponible (manuales de referencia, notas de aplicación, libros) ¿Tiene el fabricante disponibles para ese microcontrolador dispositivos periféricos (conversores A/D, memoria, reguladores de tensión)? ¿Disponen de microcontroladores OTM, grabables por máscara, EPROM, de esa misma familia? Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Tipos de arquitectura. Arquitectura Von-Neuman Los uC. Von-Neuman tienen un solo bus de datos por el cual circulan instrucciones y datos. Las instrucciones del programa y los datos se guardan conjuntamente en una memoria común. Cuando la CPU se dirige a la memoria principal, primero saca la instrucción y después saca los datos necesarios para ejecutarla, esto retarda el funcionamiento de la CPU. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Tipos de arquitectura. Arquitectura Harvard Los uC con arquitectura Harvard tienen separados el bus de datos y el bus de instrucción. Esto permite el proceso paralelo: Cuando una instrucción esta siendo "captada", la instrucción actual está utilizando el bus de datos. Una vez que la instrucción actual está finalizada, la siguiente instrucción está disponible dentro de la CPU. Este procedimiento de trabajo permite una ejecución más rápida. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Controladores CISC Casi todos los microcontroladores actuales, tienen en un juego de instrucciones complejo (CISC: Complex Instruction Set Computer). El conjunto de instrucciones típico de un microcontrolador es de más de 50, algunas de estas instrucciones son muy potentes y otras son especializadas para una tarea concreta. Unas instrucciones acceden a ciertos espacios de dirección o registros, otras no, otras instrucciones tienen modos de direccionamiento único y específico, es decir, el conjunto de instrucciones es bastante heterogéneo. La ventaja de la arquitectura CISC es que algunas instrucciones son "cuasi- macros" ya que son tan potentes que equivalen a muchas instrucciones simples. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Controladores RISC La tendencia actual es la de tener un juego de instrucciones reducido (RISC: Reduced Instruction Set Computers). El chip es más pequeño, sencillo, rápido (al ser más simples las conexiones internas dentro del circuito, con lo que se puede aumentar energía frecuencia de reloj) además tiene un consumo menor de e. Los rasgos típicos de un procesador de RISC son: El juego de instrucciones es ortogonal (simétricas), esto simplifica el proceso de programación, pues cada instrucción puede operar con cualquier registro y usar cualquier modo de direccionamiento, las instrucciones no tienen combinaciones especiales, excepciones ni restricciones. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Los microcontroladores vienen ahora con una series de características que son de una gran ayuda al ingeniero de control: Temporizadores. Cronómetros "perro guardián". Circuitos para "dormir/despertar" al microcontrolador. Modos potentes de direccionamiento de entrada/salida. Circuitos conversores analógico/digital etc. Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Opciones avanzadas de memoria. ROM PROM (OTP) RAM EEPROM FLASH Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Protección del Firmware Por encriptación o protección del fusible, el software programado es protegido contra personal desautorizado (ingeniería inversa, modificaciones, piratería, etc.). Ésta es sólo una opción en OTPs y dispositivos de ventana (EPROM). Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Puertos de entrada/salida y periféricos. PUERTOS DE COMUNICACIÓN: UART USART, SPI (Motorola), SCI, I2C (Inter-Integrated Circuit bus) , CAN (Controller Area Network) desarrollado conjuntamente entre BOSH e INTEL para el cableado de automóviles, es el sistema de cableado estándar multiplexado que se usa en la actualidad en la industria del automóvil Conversión Analógica Digital (A/D) (Aproximaciones sucesivas). TIMER´s Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Arquitectura Interna del PIC16F83 Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Arquitectura Interna del MC68HC11 Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Arquitectura Interna del COP8 Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica.