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Universidad de San Carlos de Guatemala Electronica

Laboratorio de MicrocontroladoresElectronica 3

Laboratorio de Electronica

Facultad de Ingenierıa

Segundo Semestre 2015Agosto 2015

David Barrientos Segundo Semestre 2015 Microcontroladores 1 / 110


Introduccion

Un microcontrolador es un circuito integrado programable, capazde ejecutar las ordenes grabadas en su memoria. Esta compuestode varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tareaespecıfica.

Arduino Uno Tiva C PIC



Diferencias

Microcontrolador

• ComputadoraIntegrada enun solo chip.

Microprocesador

• Procesadorpequeno.

Microcomputador

• Pequenacomputadoraque incluyeprocesador,memoria ypuertos E/S.



Sistemas Embebidos

Sistema de micro computadora embebido

• Embebido: Escondido adentro de modo que nadie pueda verlo.

• Micro: Pequeno.

• Computadora: Sistema que contiene procesador memoria yalguna manera para intercambiar datos con el mundo externo.

• Sistema: Multiples componentes que trabajan en conjuntopara un proposito en comun.



Sistemas Embebidos

Un sistema embebido es una micro computadora con dispositivosmecanicos quımicos y electricos adjuntos a sı; programados paraun proposito dedicado especifico y empaquetados como un sistemacompleto.

1 Un microcontrolador escondido adentro

2 Un proposito especifico

3 Corren en tiempo real

4 Entradas y Salidas

5 Extremadamente Confiables

6 Pequeno tamano y peso

7 Bajo consumo



Terminos Claves

1 Puerto• Es una conexion fısica entre la computadora y el mundo

exterior.• Tambien llamados Puertos I/O, Puertos E/S, Dispositivos E/S

I/O.

2 Bus• Coleccion de cables utilizados para llevar informacion entre

modulos.

3 RAM• Random Access Memory• Volatiles• Utiliza transistores de efecto de campo de metal-oxido.

4 ROM• Read Only Memory• No volatil



Terminos Claves

1 Interfaz• Combinacion de hardware y software que permiten a la

computadora comunicarse con el hardware externo.

2 Software• Secuencia ordenada de cada instruccion especifica almacenada

en memoria definiendo exactamente que tarea se realizara.

3 Hardware• Parte tangible o dispositivos fısicos; como la placa base, la

unidad central de almacenamiento, perifericos y el monitor.

4 Firmware• Es un bloque de instrucciones de programa para propositos

especıficos, grabado en una memoria de tipo no volatil, queestablece la logica de mas bajo nivel que controla los circuitoselectronicos de un dispositivo de cualquier tipo. Al estarintegrado en la electronica del dispositivo es en parte hardware,pero tambien es software, ya que proporciona logica y sedispone en algun tipo de lenguaje de programacion.



Almacenamiento en Memoria

• La memoria es una coleccion de elementos de hardware enuna computadora en la cual se puede guardar informacion.

• Cada celda de memoria contiene un byte de informacion, cadacelda tiene una unica y secuencia direccion.

• La memoria se llama Byte-Addressable porque cada byte tieneuna direccion separada.

• Escribir en ROM toma alrededor de 1 ms, en contraste con laRAM que toma alrededor de 10 ns (100,000 veces masrapido); sin embargo la ROM es mucho mas densa que laRAM, dandonos la opcion de tener mas bits de ROM en unchip que de RAM.



Logica Digital

• No utilizamos el sistema decimal sino el sistema binario.

• Un numero binario solo puede tener dos valores (0,1). Esterecibe el nombre de bit.

• Un arreglo de 4 bits recibe el nombre de nible (nibble).

• Un arreglo de 8 bits recibe el nombre de byte.

• Un arreglo de 16 bits recibe el nombre de media palabra(halfword).

• Un arreglo de 32 bits recibe el nombre de palabra (Word).



Binario Implementado con CMOS

Un bit puede existir en uno de dos posibles estados:

1 Logico Positivo: Presencia de voltaje; llamado ‘1’, verdadero oestado en alto.

2 Logico Negativo: Ausencia de voltaje; llamado‘0’, falso oestado en bajo.

Rangos

• Un voltaje entre 2 y 5 voltios es considerado un ‘uno logico’.

• Un voltaje entre 0 y 1.3 voltios es considerado un ‘cero logico’.

Se separan las dos regiones por 0.7 voltios para que la logicadigital pueda trabajar de manera confiable a altas velocidades.



Rangos Logicos



Transistor

• Para un transistor tipo n, elSwitch se encuentra cerradosi la entrada es alta.

• Para un transistor tipo p, elSwitch se encuentra cerradosi la entrada es baja.



Operadores Binarios

En C tenemos diferentes tipos de operadores, tantos logicos comobinarios.Los operadores binarios que usaremos son :

• And

• Or

• Not

• Xor

Nota

El orden para evaluarlos es NOT, AND , Or y Xor. Este ordenpuede ser alterado por medio de parentesis.



Operadores Binarios

And:

Sımbolo: &A = 01100111B = 11110000A&B = 01100000

Or:

Sımbolo: |A = 01100111B = 11110000A|B = 01100000



Operadores Binarios

Not:

Sımbolo: ∼A = 01100111∼ A = 10011000

Xor:

Sımbolo: ⊕A = 1100111B = 11110000A⊕B = 10011000



Clase 2

Arquitectura de la TIVA



Arquitectura de la Tiva C



Advanced Risc Machine (ARM)

• ARM es una arquitectura RISC (Reduced Instruction SetComputer) de 32 bits y recientemente con la llegada de suversion V8-A tambien de 64 Bits desarrollada por ARMHoldings.

• La arquitectura ARM es el conjunto de instrucciones de 32 y64 bits mas ampliamente utilizado en unidades producidas.

• La relativa simplicidad de los procesadores ARM los haceideales para aplicaciones de baja potencia. Como resultado, sehan convertido en dominante en el mercado de la electronicamovil e integrada, encarnados en microprocesadores ymicrocontroladores pequenos, de bajo consumo yrelativamente bajo costo



Definiciones

Thumb

• Los procesadores mas recientes traen un conjunto deinstrucciones adicional llamado Thumb, de 16 bits (2 bytes)de longitud por instruccion, en lugar de 32 bits (4 bytes)como el juego estandar de ARM. Thumb es un subconjuntoformado por las instrucciones que se usan con mas frecuencia.Al tener la mitad de longitud, se consigue disminuir lacantidad de codigo y mejorar su densidad.

• Manipulacion Atomica Una operacion que actua en memoriacompartida es atomica si se completa en un unico pasorelativamente a otros hilos.



IEE 754

El estandar IEEE 754 ha sido definido por el Instituto de IngenierosElectricos y Electronicos (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers, IEEE) y establece dos formatos basicos para representara los numeros reales en la computadora digital: precision simple yprecision doble.

• Ejemplo Libreria IEE 754


http://www.h-schmidt.net/FloatConverter/IEEE754.html


Memoria Tiva C



Perifericos Tiva C



Launchpad Tiva C



Senal de Reloj (CLOCK)

• Una senal de reloj es en la electronica digital una senalbinaria, que sirve para coordinar las acciones de varioscircuitos, en especial para la sincronizacion de biestables ensistemas digitales complejos.

• Los circuitos que utilizan la senal de reloj para sincronizarse,pueden, segun su construccion, basarse en el flancoascendente o en el descendente de la senal.

• La mayorıa de circuitos integrados complejos requieren unasenal de reloj, para sincronizar diferentes partes del chip yequilibrar los retrasos de las puertas.



Senal de Reloj (CLOCK)



Fuentes de Reloj



Arbol de Funcionamiento de Reloj y PLL



General Purpose Inputs/Outputs



Slew Rate

Tiempo de transicion de una senal digital entre dos puntos fijos demedida, que suelen ser tıpicamente el 20 % y el 80 % de la tensionde alimentacion respectivamente.

• Un slew rate demasiado largo afecta negativamente lavelocidad del circuito, alargando los tiempos de propagacion

• Las senales con slew rate pequeno son mas vulnerables aproblemas de integridad de senal (ruido).

• Un slew rate demasiado pequeno, a su vez, da lugar a unapendiente de senal demasiado acusada que puede generarruido en una senal cercana.



GPIO en Tiva C

Seis pines en el dispositivo estan protegidos contra programacionaccidental:

• PC3,2,1 & 0: JTAG/SWD.

• PD7 & PF0: NMI

Cualquier escritura a los siguientes registros para estos pines nosera guardado a menos que el registro GPIOLOCK se desbloquee:

• GPIO Alternate Function Select Register.

• GPIO Pull Up or Pull Down select.

• GPIO Digital Enable register.



Desbloquear Switch 0

1 HWREG(GPIO_PORTF_BASE + GPIO_O_LOCK) = GPIO_LOCK_KEY;

2 HWREG(GPIO_PORTF_BASE + GPIO_O_CR) |= 0x01;

3 HWREG(GPIO_PORTF_BASE + GPIO_O_LOCK) = 0;



Fin de la Teorıa

Inicio de la Programacion



Nuevo Proyecto



Agregar Build Variable



Linkear el archivo de TivaWare: driverlib.lib, al Proyecto



Agregar INCLUDE Search paths para las cabeceras.${TIVAWARE INSTALL}



Cabeceras Requeridas

1 #include <stdint.h>

2 #include <stdbool.h>

3 #include "inc/hw_memmap.h"

4 #include "inc/hw_types.h"

5 #include "driverlib/sysctl.h"

6 #include "driverlib/gpio.h"

• stdint.h: Variable definitions for the C99 standard .• stdbool.int: Boolean definitions for the C99 standard.• hw memmap.h: Memory map of the Tiva C device. This

includes defines such as peripheral base address locations.• hw types.h: Defines common types and macros• sysctl.h: Defines and macros for System Control API of

DriverLib. This includes API functions such as SysCtlClockSetand SysCtlClockGet.

• gpio.h: Defines and macros for GPIO API of DriverLib. Thisincludes API functions such as GPIOPinTypePWM andGPIOPinWrite



Delay

Podemos crear un retardo o un delay en el programa utilizando lainstruccion:

1 SysCtlDelay (2000000) ;

• El parametro que recibe es el numero de ciclos de 3 ciclos dereloj a esperar.

• Por lo tanto, si queremos esperar T segundos y fosc es lafrecuencia del bus del sistema (40-80 MHz) entonces elparametro x a colocar seria:

Parametro Delay(1):

x =T (s) ∗ fosc

3(1)



Clase 3

GPIOS



Proyectos Portatiles

Originalmente creamos dos variables:

1 Path variable.

2 Build variable.

Ambas eran la misma variable pero usadas de manera distinta; unapara linkear los archivos al Proyecto y la otra se usa para incluir loscaminos de busqueda.

• Para agregar estas variables automaticamente solamentedebemos seguir los siguientes pasos:



Configuracion



FileB ImportB



Condiciones de Control en C

Unas de las condiciones mas usadas en la programacion y lascuales usaremos mucho para programar nuestra Tiva son:

1 If Statement.

2 For Loop.

3 While Loop.

4 Switch Case Statement.



If Statement

Una condicion muy simple; esta verifica si la expresion esverdadera; y si lo es ejecuta los comandos; de lo contrario los salta.

1 if (expression)

2 {

3 Block of statements;

4 }

5 else if(expression)

6 {


8 }

9 else

10 {


12 }



For Loop

El Ciclo for, se encarga de realizar el ciclo un cierto numero deveces.

1 for( expression1; expression2; expression3)

2 {

3 Single statement

4 or


6 }

Donde:

1 Expression1 - Inicializacion de Variable.

2 Expression2 - Expresion Condicional, mientras esta condicionsea verdadera el ciclo se ejecutara.

3 Expression3 - Modificador de la variable; generalmente es unincremento.



While Loop

El Ciclo While; se encarga de realizar el ciclo mientras su condicionsea verdadera.

1 while ( expression )

2 {

3 Single statement

4 or


6 }



Switch Case Statement

La condicion Switch es como un conjunto de condiciones if-else if.

1 switch(Variable){

2 case ’1’ : Statement1;

3 break;


5 break;


7 break;


9 break;


11 break;

12 default : Statement6;

13 break;

14 }



Ejemplo 1

Ya vimos como configurar los GPIO como salidas, veamos comousarlos como entradas:

1 GPIOPinTypeGPIOInput(GPIO_PORTF_BASE , GPIO_PIN_0 |

GPIO_PIN_4);

2 GPIOPadConfigSet(GPIO_PORTF_BASE , GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_4 ,

GPIO_STRENGTH_2MA , GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU);



Breakpoints

En el desarrollo de Software, un breakpoint es una paradaintencional o una pausa en el programa, con el fin de realizardebugging.Mejor explicado, un breakpoint es una forma de obtenerconocimiento de un programa durante su ejecucion. Durante lainterrupcion el programado puede inspeccionar los registros, logs,memorias, archivos, etc. para verificar si el programa estafuncionando como se esperaba.



Agregar un Breakpoint

Hacemos doble click en la linea donde deseamos agregarlo, en laimagen se marca con un cuadro rojo, todo esto antes de iniciar eldebugger.



Breakpoint para observar el valor de una variable

Tras correr el debugger hacemos click Derecho en nuestrobreakpoint y seleccionamos Breakpoint Properties.



Breakpoint para observar el valor de una variable

Seleccionamos estas opciones: Update View y Expressions



Agregando Expresiones a Observar

Seleccionamos la variable a observar seguido de click derecho yAdd Expression.



Clase 4

Interrupciones y Timer



Interrupciones

Una interrupcion (IR, de Interrupt Request) es una senal recibidapor el procesador para indicarle que debe interrumpir el curso deejecucion actual y pasar a ejecutar codigo especıfico para trataresta situacion.



Procesamiento de una Interrupcion

1 Terminar la ejecucion de la instruccion maquina en curso.

2 Salvar el estado del procesador (valores de registros y flags) yel valor del contador de programa en la pila, de manera que enla CPU, al terminar el proceso de interrupcion, pueda seguirejecutando el programa a partir de la ultima instruccion.

3 El procesador salta a la direccion donde esta almacenada larutina de servicio de interrupcion (Interrupt Service Routine, oabreviado ISR) y ejecuta esa rutina que tiene como objetivoatender al dispositivo que genero la interrupcion.

4 Una vez que la rutina de la interrupcion termina, el procesadorrestaura el estado que habıa guardado en la pila en el paso 2 yretorna al programa que se estaba usando anteriormente.



NVIC



Tail Chaining



Pre-emption



Late Arrival



Tipos



Especificaciones

El NVIC soporta:

• 78 tipos de interrupciones.

• Un nivel de prioridad programable entre 0 y 7.

• Baja latencia para el manejo de interrupciones.

• Facil y dinamica repriorizacion de las interrupciones.

• Tail-chaining.

• NMI Externo.



Interrupciones



GPTM

General Purpose Timer Module:Los timers programables son usados para contar o realizar eventoscontrolados por tiempo.



GPTM



Modos del Timer

1 One Shot: Tal como su nombre lo dice, solo ejecutara el timerun recorrido.

2 Periodic: Cuando su recorrido termine, comenzara de nuevo surecorrido.

3 RTC: (Real Time Clock) Utiliza ambos Timers, para obtenerun timer de 32 bits. Se necesista una entrada de Reloj de32.768 KHz.

4 Input Edge Count:En este modo, el timer es capaz de capturartres tipos de eventos: rising edge, falling edge, o ambos.

5 PWM



Clase 5

ADC



Introduccion

Link Video


https://www.youtube.com/watch?v=jQDjJRYmeWg


Analog to Digital Converter

Es un dispositivo electronico capaz de convertir una senalanalogica de voltaje en una senal digital con un valor binario.



Analog to Digital Converter

La Conversion se divide en tres pasos:

• Muestreo.

• Cuantizacion.

• Codificacion.



Muestreo

Proceso por el cual se toman muestras de un fenomeno que sesupone continuo.La velocidad con la que se muestrea es crucial.



Errores

• Aliasing.

• Efecto Estroboscopico.



Criterio de Nyquist

El teorema demuestra que la reconstruccion exacta de una senalperiodica continua en banda base a partir de sus muestras, esmatematicamente posible si la senal esta limitada en banda y latasa de muestreo es superior al doble de su ancho de banda.



Cuantizacion

La cuantificacion implica tomar las muestras del proceso demuestreo y aproximarlas a una serie de niveles permitidos. Ningunamuestra puede estar fuera de estos niveles.



Codificacion

La codificacion implica asignarle un valor binario a cada una de lasmuestras cuantificadas. El tamano dependera de la cantidad deniveles; entiendase el numero de bits para representar todos losniveles.



ADC en TIVA



Especificaciones

• 2 ADC’s

• 12 Diferentes Canales

• 12 Bits de Precision

• 1 MSPS

• 4 Secuenciadores

• Control de Trigger Flexible

1 Software2 Timer3 Analog Comparator4 PWM5 GPIO

• Hardware Averaging



Secuenciadores



Canales



Clase 6

PWM y Motores



PWM

La modulacion por ancho de pulsos de una senal o fuente deenergıa es una tecnica en la que se modifica el ciclo de trabajo deuna senal periodica, ya sea para transmitir informacion a traves deun canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energıaque se envıa a una carga.



Aplicaciones

• Switcheo de Fuentes de Poder

• Control de Motores

• Posicionamiento de Servos

• Control lumınico

• Envıo de datos por canales



PWM en Tiva C

La Tiva C contiene dos modulos PWM, cada uno con cuatrobloques generadores y un bloque de control para un total de 16Salidas PWM.Cada bloque generador produce dos senales PWM que compartenel mismo timer y frecuencia.Cada modulo provee gran flexibilidad y puede generar senalessimples de PWM, asi como pares PWM, y generacion de senalescon esperas de dead-band.



Algunas Caracterısticas

• Resolucion de 16 Bits.

• Comparadores PWM

• Dead Band Generator

• Generadores PWM pueden ser operados independientemente osincronizados con otros generadores.



Dead Band

La Deadband o banda muerta (algunas veces llamada zona neutrao zona muerta) es un intervalo de la senal donde ninguna accionocurre.



Modulo PWM



Canales



Servo Motores

Un servomotor no es nada mas que un motor controlado con laayuda de un servomecanismo.Si el servomecanismo esta asociado con un Motor DC. Es conocidocomo un DC Servo Motor, si es controlado por AC, es llamado ACServo Motor.



Servo Motores



Servomecanismo

Un servo basicamente consiste de tres componentes.

• Un dispositivo controlado

• Un sensor de salida

• Un sistema de retroalimentacion

Es un sistema de lazo cerrado. El dispositivo es controlado por unasenal de retroalimentacion generada comparando la senal de saliday la senal de referencia.



Servomecanismo

Funcionamiento del Lazo Cerrado en el Servo:Cuando una senal de referencia o comando ingresa al sistema, escomparada con una senal de referencia de salida producida por elsensor (Potenciometro); una tercera senal es producida por elsistema de retroalimentacion.Esta tercer senal se produce mientras exista una diferencia entre lasenal de referencia y la senal de salida del sistema. Una vez eldispositivo alcanza la salida deseada, no existira una diferencialogica, por tato la senal producida no sera suficiente para operar eldispositivo y permanecera en este estado hasta que una nuevasenal de referencia sea ingresada.



ServoMotor

Como sabemos, una pequeno motor DC rotara a gran velocidad,pero el torque generado por su rotacion no sera suficiente paramover ni siquiera una carga ligera.He aquı la importancia de una caja de engranajes, el mecanismo deengranajes tomara la alta velocidad del motor como entrada y enla salida obtendremos



Funcionamiento

Supongamos que la posicion inicial de ServoMotor es tal que elpotenciometro conectado al motor no produzca ninguna senalelectrica. Esta salida del potenciometro se encuentra conectada auna de las terminales de entrada del detector de error. Una senalde entrada funcionara como referencia para la posicion deseada. Lasenal de diferencia o error es amplificada y funciona como elvoltaje de alimentacion del motor. Este error comienza siendogrande lo cual genera movimiento en el motor, sin embargoconforme se mueve, aumenta el voltaje producido por elpotenciometro y el error disminuye. El error seguira disminuyendohasta el punto que el motor haya llegado a su destino y el error seatan diminuto que ya no generara movimiento.

David Barrientos Segundo Semestre 2015 Microcontroladores100 /110


Diagrama



Senal de Referencia



Clase 7

UART



Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

Es un protocolo de transmision Serial.

• Serial es la palabra clave de todo lo que es ”multiplexacion dela division temporal”. Indica que el dato es enviado en funciondel tiempo, un bit detras de otro.

• Utiliza una linea de transmision y otra de recepcion.

• Generalmente se envıan 8 bits de datos

• Se utiliza en niveles de 3.3 V o 5V para Logico Alto

• Se llama Asıncrona ya que no depende de un reloj.



BaudRate y Bitrate

El Bitrate es el numero de bits que se transmiten por unidad detiempo a traves de un sistema de transmision digital.La tasa de baudios (en ingles baud rate) tambien conocida comobaudaje es el numero de unidades de senal por segundo. Un baudiopuede contener varios bits.



Valores Standard



UART



UART en Tiva C


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