Fundamentos de Microcontroladores

Los Microcontroladores son dispositivos ampliamente utilizados en el mundo, superando

el consumo de procesadores, se estima que la gran mayora de estos componentes se

destinan para aplicaciones de control simple y el restante para DSPs (Procesador Digital

de Seales), cada vez es ms comn la utilizacin de estos dispositivos para el hogar y la

industria, desde aplicaciones en electrodomsticos que utilizan generalmente

Microcontroladores de 4 u 8 bits, pasando por equipos de entretenimiento como

reproductores de video o audio con Microcontroladores de 32 o 64 bits, aplicaciones en

automviles en los sistemas de encendido, frenos, etc. Con Microcontroladores de 16 bits

y finalmente en la industria donde una amplia variedad de Microcontroladores se utiliza

para automatizar procesos industriales.

Como se aprecia en esta generalidad el campo de accin de un Microcontrolador es ms

flexible y aunque no lo notamos evidentemente es el dispositivo con el que ms

interactuamos. Finalmente es importante anotar que la diferencia mas significativa entre

un microprocesador y un microcontrolador es que este ultimo adems de la CPU incluye

en el mismo circuito integrado o chip dos unidades funcionales mas que son la memoria y

Unidades de E/S o I/O.

Los Microcontroladores la herramienta de control moderna

Con la aparicin de los microprocesadores y las necesidades de control para distintos

dispositivos tanto industriales (instrumentacin, automatizacin, telemetra, etc.),

comerciales (automviles, perifricos, juguetes) y domsticos (electrodomsticos, audio,

video), aparece la necesidad tecnolgica de incorporar en un solo chip la estructura

bsica de un sistema de computo, este microcomputador debera contar con tres

unidades funcionales de cualquier equipo de computo: CPU, memoria y unidades I/O

(Entrada/salida). Es as como se da origen a los microcontroladores, pequeos

dispositivos producto de la microelectrnica generalmente de arquitectura cerrada que

fusionan en una misma pastilla de silicio las tres unidades funcionales de una

computadora, aplicados a situaciones especificas de control y capaces de incorporar

unidades adiciones que amplan su capacidad de interaccin con el medio incluso

llegando a comportarse como sistemas abiertos (el caso de los microprocesadores).

Microcontroladores

Con todo esto se puede inferir que un Microcontrolador es una microcomputadora en una

pastilla de silicio, el primer dispositivo con estas caractersticas fue lanzado al mercado

por Texas Instruments denominado TMS 1000 (de 4 bits) en 1974, que fue el primer

microprocesador que incluye memoria RAM y ROM para el desarrollo de aplicaciones.

Siguiendo con la evolucin de estos dispositivos aparece el primer Microcontrolador

fabricado por Intel en 1975, el 8048 de 8 bits integrando en una solo chip CPU, RAM,

ROM, y dispositivos de I/O (entrada/salida) y el 1982 el intel 8051 que da origen al la

familia de microcontroladores Intel MCS51, este ncleo ha sido la base para mas de 100

microcontroladores en mas de 20 fabricantes, como Atmel, Dallas Semiconductor, Philips,

Winbond entre otros.

En la dcada de los 80s comienza la ruptura de desarrollo y evolucin tecnolgico entre

microprocesadores y microcontroladores. Los microprocesadores han evolucionado

buscando la solucin al manejo de grandes volmenes de informacin, mientras los

microcontroladores incorporan unidades funcionales con capacidades superiores de

interaccin con el medio fsico en tiempo real, un mejor desempeo y robustez en

aplicaciones industriales.

El Microcontrolador se concibe como un dispositivo programable lo que hace posible que

ejecute una serie de tareas siguiendo las pautas sealadas secuencialmente en un

programa almacenado en la memoria ROM. Este fue le punto de partida para un gran

numero de aplicaciones, que involucran circuitos lgicos, temporizacin, manejo de

perifricos y estructuras computacionales.

Los sistema microcontrolados permiten gran flexibilidad a la hora de implementar

aplicaciones de control en la mayora de procesos, el diseo del hardware junto con el

programa que contiene el algoritmo permiten la automatizacin de procesos.

El mundo de hoy esta en manos de los microcontroladores, a diarios en la interaccin con

equipos electrnicos sin notarlo estamos interactuando con uno o varios

microcontroladores, electrodomsticos, equipos de oficina, videograbadoras, mviles,

automviles, aviones, barcos, sistemas de automatizacin industrial, etc. Son algunos

ejemplos donde encontramos este dispositivo.

GENERALIDADES DEL MICROCONTROLADOR

Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene en su interior toda la estructura

de un computador, es decir, la Unidad Central de Procesamiento ( CPU ), la memoria de

lectura y escritura ( RAM ), la memoria de slo lectura ( ROM ) y los puertos o circuitos de

entrada / salida ( I / O ).

Los microcontroladores se suelen confundir constantemente con los microprocesadores,

por el hecho que contienen internamente una CPU. Sin embargo se puede afirmar que

aunque son menos poderosos que un microprocesador, su prctico uso los hace

apropiados en el desarrollo de aplicaciones de mediana complejidad.

Las principales caractersticas que diferencian un microcontrolador de un microprocesador

son:

Los microcontroladores son sistemas cerrados, ya que contienen todos sus elementos

internos, con caractersticas fijas, y dentro de un solo chip; mientras que los

microprocesadores son sistemas abiertos, ya que tienen las lneas de los buses de datos,

direcciones y control al exterior, para la conexin con elementos de expansin como

memorias, interfaces de E/S, etc.

Los microcontroladores son de propsito especfico, es decir, son programados para

realizar una nica tarea, mientras que los microprocesadores son de propsito general, ya

que realizan mltiples tareas en funcin de los programas que contenga.

La memoria que maneja un microcontrolador es pequea pero adecuada para las

aplicaciones de control e instrumentacin que realiza, en donde no se necesita almacenar

grandes cantidades de informacin. Un microprocesador puede manejar grandes

volmenes de informacin ya que ejecuta programas de alto nivel.

Cuando se trabaja con microcontroladores no es necesario el diseo de circuitos

decodificadores de direcciones, ya que los mapas de memoria y de puertos estn

implcitos en el microcontrolador. Esto trae como consecuencia la simplificacin de los

circuitos impresos en el desarrollo de proyectos.

Un microcontrolador, tpicamente consta de:

CPU o procesador: Es el cerebro del sistema, el cual procesa todos los datos que viajan a

lo largo del bus.

Memorias: Est formada por una no voltil (ROM, EEPROM, FLASH) donde se

almacenan los programas y una voltil (RAM) donde se almacenan los datos.

Reloj principal: Normalmente todos los microcontroladores necesitan de circuitos

osciladores para su funcionamiento.

Puertos E/S (Entrada/Salida): Son los que soportan las lneas que comunican al

microcontrolador con los perifricos externos.

Mdulos especiales: Son aquellos mdulos que permiten realizar tareas especficas

dentro del microcontrolador y que le dan el valor agregado al mismo. Entre los ms

comunes se tienen:

Temporizadores: para controlar periodos de tiempo.

Contadores de eventos

Convertidores Analgico/Digital y Digital/Analgico

Comparadores analgicos

Moduladores de ancho de impulsos.

Puertos de comunicacin: Tanto serie como paralelo.

Control de interrupciones

Debido a que los microcontroladores incluyen estas caractersticas especficas slo para

algunos modelos, su costo es relativamente bajo y depende de la aplicacin que se les

quiera dar.

Sistemas Microcontrolados

La posibilidad de manejar seales de entrada y salida, procesar datos a gran velocidad,

tomar decisiones en tiempo real, bajo consumo y ser robustos e inmunes al ruido

convierten al microcontrolador en uno de los componentes mas utilizados, verstiles y

vendidos en la actualidad.

Dispositivos de entrada, Conforman este grupo todos los dispositivos capaces de cambiar

su estado como respuesta a un evento que los afecte y generar una seal que pueda ser

utilizada por el microcontrolador para ejecutar una operacin de control o de decisin.

Los dispositivos de entrada mas comunes son.

Los teclados compuestos pos interruptores formando una matriz dividida en filas y

columnas, generalmente para las aplicaciones de este curso son de tipo telefnico o

hexadecimales (16 teclas).

Los interruptores (pulsadores), estos pueden ser normalmente cerrados (NC) o

normalmente abiertos (NA). Una variante de estos son los switch los cuales conmutan

entre los dos estados abierto o cerrado.

Sensores, son dispositivos que cambian seales de voltaje o de corriente al recibir algn

tipo de estimulo, los hay de tipo infrarojo, snicos, de contacto, magnticos, entre otros.

Dispositivos de salida,Los dispositivos de salida se encargan de recibir las seales del

microcontrolador y reproducir acciones particulares, entre los dispositivos mas usuales

estn los visuales, auditivos y actuadores. Algunos de los elementos clsicos de

dispositivos de salida estn.

LEDs, diodos semiconductores al polarizarse correctamente, es decir, respetando la

polaridad de sus terminales, este dispositivo emite un haz de luz, este es el dispositivo por

excelencia par ale aprendizaje en el manejo de microcontroladores.

Display siete segmentos, es un dispositivo lumnico hecho a base de LEDs, forman la

estructura para visualizar nmeros.

Display de cristal lquido, se compone de una pantalla con un numero de filas y columnas

(caracteres) que despliegan mensajes textuales o simblicos.

Motores, dentro de estos estn los de corriente directa, los paso a paso y servomotores

los dos ltimos utilizados frecuentemente en robtica o aplicaciones de.

Relevadores y contactores, son dispositivos de accionamiento electromecnicos para

aplicaciones de potencia.

Diferencias entre sistemas basados en Microprocesadores y Microcontroladores

Diferencias entre sistemas basados en microprocesadores y microcontroladores

Existen diferencias importantes entre las dos tecnologas, cada una tiene ventajas y

desventajas, el uso de cada una depende de las necesidades de la aplicacin. Para tener

una idea ms general observemos:

La CPU de un Microcontrolador es mas simple sus instrucciones se orientan a manejar los

puertos entrada salida.

La memoria de almacenamiento temporal es mas pequea, las aplicaciones de control no

requieren muchos registros.

La memoria de programa tambin es limitada generalmente en algunos cuantos

KiloBytes.

El diseo simplificado de los microcontroladores permite circuitos impresos mas pequeos

y sencillos.

Se requiere un sistema de desarrollo para compilar, depurar y programar el dispositivo.

Son ms robustos contra seales de ruido.

Un Microcontrolador para cada aplicacin

Dependiendo del tipo de aplicacin o problema de control a resolver, se hace evidente el

uso de dispositivos con interfaces o complementos que permitan agilizar y soportar el

proyecto. Los principales fabricantes de microcontroladores como Microchip y Motorola

Freescale, han desarrollado varias familias con caractersticas nicas, donde el diseador

selecciona el que mas convenga para la aplicacin.

Algunas decisiones de carcter tcnico pueden ser:

- Si el Microcontrolador interacta con fenmenos de naturaleza anloga, se prefiere

elegir dispositivos con convertidores Anlogo-Digitales (A/D).

- Si el proyecto requiere mediciones de tiempo o generar bases de tiempo para la

aplicacin el dispositivo debe tener uno o varios timers.

- La necesidad de comunicar varios microcontroladores en red o transmitir a un dispositivo

de computo, se elijen dispositivos con interfaz para transmisin serial como RS-232.

- Controlar dispositivos modulando la seal por ancho de pulso requiere la utilizacin de

salidas PWM.

- La implementacin de proyectos que requieran atencin o monitoreo permanente de un

proceso, se hace evidente que el dispositivo debe tener fuentes de interrupcin.

Arquitectura en los Microcontroladores

Intel, La arquitectura en los microcontroladores se refiere a la forma como la CPU accede a la memoria y a la cantidad o set de instrucciones de cada familia. Arquitectura Von Neumann Con esta arquitectura se hace el diseo conceptual y la estructura operacional de la mayora de microprocesadores y de computadoras de uso personal que se utilizan desde su aparicin a la fecha. Esta arquitectura esta basada en el concepto de programa almacenado propuesto por el matemtico Von Neumann y propuesto por Jhon Presper Ecker, Jhon William Mauchly, Arthur Burks, entre otros en el periodo de construccin de la ENIAC. En la arquitectura Von Neumann la CPU se conecta a una memoria principal nica generalmente del tipo RAM, donde se almacenan los datos y el programa, accediendo a travs de un sistema de buses nico, como son el bus de direccin, control y datos. El ancho del bus que comunica la memoria con la CPU determina el tamao de la unidad de datos o instrucciones, un microprocesador de 8 bits con bus de 8btis tendr que manejar datos o instrucciones de 8 bits de longitud. Para el acceso a datos o instrucciones de ms de 8bits tendr que realizar ms de un acceso a la memoria.

Arquitectura Harvard El termino proviene de la Harvard Mark I, la cual almacenaba los datos en cintas perforadas y las instrucciones mediante interruptores, la arquitectura Harvard se caracteriza por tener separados los bloques de memoria de datos e instrucciones y acceder a ellos por buses independientes de direccin, datos y control. La independencia de buses permite tener accesos simultneos e independientes a la memoria de datos e instrucciones, el contenido y longitud de las localidades de memoria pueden ser distintos para los datos e instrucciones, esto permite una optimizacin en el uso de la memoria.

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La memoria de los microcontroladores

La memoria de los microcontroladores Dependiendo de la aplicacin y el modo de programacin, hay varias tecnologas para la memoria de los microcontroladores, independiente de la tecnologa no se afecta la operacin lgica del dispositivo, variando algunas caractersticas elctricas entre dispositivos con las mismas funciones y pines.

Memoria y encapsulado

El tipo de memoria a implementar en el dispositivo genera un variedad de frecuencias y opciones de encapsulados.

Entre los tipos de memorias mas usuales para microcontroladores encontramos:

-ROM, generalmente la versin econmica para aplicaciones en serie, solo es posible programar un avez, es conveniente tener el programa final ya probado.

-EPROM, con el propsito que los diseadores puedan probar los proyecto y corregirlos. Se borran con luz ultravioleta.

- EEPROM, son las primeras memorias de borrado elctrico. - Memoria Flash, estos dispositivos son borrables elctricamente con una

memoria no voltil con velocidades de transferencia mayores. Variedades de encapsulado

Los encapsulados varian entorno a la fase de desarrollo del proyecto, se puede comenzar con dispositivos DIP (paquete en doble lnea), el mas comn, con la ventana de borrado (poco utilizada), EEPROM o flash, con estos encapsulados y la capacidad de reprogramar el dispositivo, el desarrollador puede optimizar el programa hasta tener un producto final, el cual puede hacer uso de dispositivos con memoria OTP los cuales solo se dejan grabar una sola vez, tambin estn los de tipo DIE (dado) o de montaje superficial el cual ocupa muy poco espacio, permitiendo tarjetas de control mas pequeas.

Los Microcontroladores PIC

Esta familia de microcontroladores producidos por Microchip es la que por excelencia ha sido la utilizada por la mayora de diseadores, Microchip fabrica microcontroladores de 8 bits de propsito general de arquitectura RISC, de bajo consumo de potencia utilizando arquitectura Harvard. Actualmente los microcontroladores PIC se clasifican dependiendo la longitud de la palabra de instrucciones.

- Lnea base o bsica, con palabras de 12 bits de longitud, con las referencia 12CXXX.

- Lnea rango medio, con palabras de 14 bits de longitud, con la referencia 16CXXX.

- Lnea alta, con palabras de 16 bits de longitud, las referencias 17CXXX y 18CXXX.

Arquitectura de los PIC

La arquitectura del microcontrolador PIC se puede estudiar desde tres aspectos fundamentales

- El ncleo, que hace referencia al oscilador, el circuito para reanudar (Reset), la unidad central de proceso, La unidad aritmtico lgica, organizacin del mapa de memoria del dispositivo, operacin de las interrupciones, conjunto de instrucciones.

- Los perifricos, son los elementos que realmente diferencian los microprocesadores de los microcontroladores, entre ellos estn, las lneas o pines de I/O de propsito general, los temporizadores, los mdulos de captura, comparacin, PWM, puerto serial sncrono, comparadores, convertidores A/D o D/A, manejadores de display, entre otros.

- Caractersticas especiales, estas ayudan a disminuir el costo del sistema y a incrementar su funcionalidad y flexibilidad, hacen parte de estas, los bits de configuracin del dispositivo, Powe on Reset, Brown out Reset, Watchdog, Oscilador interno,programacin serial dentro del circuito.

VIDEO:

Microcontroladores Motorola Es una familia muy difundida utilizada en gran cantidad de proyectos, incluyendo aplicaciones de control, comunicaciones, electrnica automotriz, etc. Estos microcontroladores tienen reputacin de confiables, fciles de programar y de gran difusin en todo el mundo. A diferencia de los PIC, esta familia es muy extensa

con una amplia gama de productos, permitiendo al diseador escoger el dispositivo mas apropiado para cada tarea especfica. Como dato para destacar es tal el impacto de estos microcontroladores que en un automvil moderno puede haber hasta 50 microcontroladores incorporados en las tareas de control del automvil.

Las familias de microcontroladores mas conocidas son:

68HC05, 68HC08, 68HC11, 68HC12, 68HC16, 683XXX, MPC5XX y la familia de ncleo M (core M), en cada una de ellas existen varias referencias las cuales varan por su tamao de memoria. El numero de pines, caractersticas especiales como convertidores, temporizadores, interrupciones, etc. La familia indicada para iniciar el trabajo con estos microcontroladores en la 68HC08.

La familia HC05, es una familia de las mas populares en el mundo, con compatibilidad con la familia HC08, utilizados en aplicaciones automotrices, productos de consumo, comunicaciones, computadoras y aplicaciones industriales.

La familia HC08, posee una velocidad interna hasta de 8MHz, una pila de 16 bits, instrucciones de multicanalizacin, y una memoria de 64K para programas y datos. Hay versiones con memoria FLASH y EPROM.

La familia HC11, tambin de 8 bits, tambin compatible con la HC05 y su programacin es compatible con la familia de microcontroladores de 16 bits como el 68HC12.

La familia HC12, es un microcontrolador de 16 bits rene lo mejor del 68HC11.

La familia HC16, adecuada para aplicaciones con mucha memoria y que utilize comunicaciones seriales y anlogas.