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Microcontroladores PIC

Controladores y Microcontroladores

Un controlador es un dispositivo electrónico encargado de, valga la redundancia, controlar uno o más procesos.

Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado, recogerá la información de los sensores de temperatura, la procesará y actuará en consecuencia.

Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de E/S,… sobre una placa de circuito impreso (PCB).

Actualmente, los controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de microcontrolador.

Diferencia entre microcontrolador y microprocesador

Es muy habitual confundir los términos de microcontrolador y microprocesador, cayendo así en un error de cierta magnitud. Un microcontrolador es, como ya se ha comentado previamente, un sistema completo, con unas prestaciones limitadas que no pueden modificarse y que puede llevar a cabo las tareas para las que ha sido programado de forma autónoma.

Un microprocesador, en cambio, es simplemente un componente que conforma el microcontrolador, que lleva acabo ciertas tareas que analizaremos más adelante y que, en conjunto con otros componentes, forman un microcontrolador.

Debe quedar clara por tanto la diferencia entre microcontrolador y microprocesador: a modo de resumen, el primero es un sistema autónomo e independiente, mientras que el segundo es una parte, cabe decir que esencial, que forma parte de un sistema mayor.

Arquitectura interna de un microcontrolador

Como ya hemos visto, un microcontrolador es un dispositivo complejo, formado por otros más sencillos. A continuación se analizan los más importantes.

Procesador

Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones.

Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann.

Esta última se caracterizaba porque la CPU se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses.

Arquitectura von Neumann

En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos.

Arquitectura Harvard

El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción.

Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.

Memoria de programa

El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como éste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente.

Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes:

- ROM con máscara: se graba mediante el uso de máscaras. Sólo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste.

- EPROM: se graba eléctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseño, aunque su coste unitario es elevado.

- OTP: su proceso de grabación es similiar al anterior, pero éstas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idóneas para productos finales.

- EEPROM: también se graba eléctricamente, pero su borrado es mucho más sencillo, ya que también es eléctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de de escritura y su consumo es elevado.

- FLASH: se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones.

De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores prácticamente iguales que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash. Se trata del PIC16C84 y el PIC16F84, respectivamente.

Memoria de datos

Los datos que manejas los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil.

Hay microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa. El PIC16F84 dispone de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos.

Líneas E/S, recursos auxiliares, programación de microcontroladores.

Líneas de E/S

A excepción de dos patitas destinadas a recibir la alimentación, otras dos para el cristal de cuarzo, que regula la frecuencia de trabajo, y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla.

Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertas.

Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjuntos de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos, como el I2C, el USB, etc.

Recursos auxiliares

Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de microcontrolador, incorpora una diversidad de complementos que refuerzan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursos más comunes se citan los siguientes:

- Circuito de reloj: se encarga de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. - Temporizadores, orientados a controlar tiempos. - Perro Guardián o WatchDog: se emplea para provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. - Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. - Sistema de protección ante fallos de alimentación - Estados de reposos, gracias a los cuales el sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo.

Programación de microcontroladores

La utilización de los lenguajes más cercanos a la máquina (de bajo nivel) representan un considerable ahorro de código en la confección de los programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. Los programas bien realizados en lenguaje Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rápida.

Los lenguajes de alto nivel más empleados con microcontroladores son el C y el BASIC de los que existen varias empresas que comercializan versiones de compiladores e interpretes para diversas familias de microcontroladores. En el caso de los PIC es muy competitivo e interesante el compilador de C PCM de la empresa CCS y el PBASIC de microLab Engineerign, ambos comercializados en España por Mircosystems Engineering.

Hay versiones de interpretes de BASIC que permiten la ejecución del programa línea a línea, y en ocasiones, residen en la memoria del propio microcontrolador. Con ellos se puede escribir una parte del código, ejecutarlo y comprobar el resultado antes de proseguir.

El PIC 16F84, para que sirve?

El PIC es el microcontrolador que fabrica la compañía Microchip.

Aunque no son los microcontroladores que más prestaciones ofrecen, en los últimos años han ganado mucho mercado, debido al bajo precio de éstos, lo sencillo de su manejo y programación y la ingente cantidad de documentación y usuarios que hay detrás de ellos.

¿Para qué sirve un PIC?

Un PIC, al ser un microcontrolador programable, puede llevar a cabo cualquier tarea para la cual haya sido programado.

No obstante, debemos ser conscientes de las limitaciones de cada PIC. Así, el 16F84, PIC que se tratará en este tutorial, no podrá generar un PWM ni convertir señales analógicas en digitales, entre otras.

El 16F84

Se trata de un microcontrolador de 8 bits. Es un PIC de gama baja, cuyas características podemos resumir en:

- Memoria de 1K x 14 de tipo Flash
- Memoria de datos EEPROM de 64 bytes
- 13 líneas de E/S con control individual
- Frecuencia de funcionamiento máxima de 10 Mhz.
- Cuatro fuentes de interrupción
- Activación de la patita RB0/INT
- Desbordamiento del TMR0
- Cambio de estado en alguna patia RB4-RB7
- Fin de la escritura de la EEPROM de datos
- Temporizador/contador TMR0 programable de 8 bits
- Perro Guardián o WatchDog

Generalmente se encuentra encapsulado en formato DIP18. A continuación puede apreciarse dicho encapsulado y una breve descripción de cada una de las patitas: imagen:

- VDD: alimentación
- VSS: masa
- OSC1/CLKIN-OSC2/CLKOUT: conexión del oscilador
- VPP/MCLR: tensión de programación y reset
- RA0-RA3: líneas de E/S de la puerta A
- RA4: línea de E/S de la puerta A o entrada de impulsos de reloj para TMR0
- RB0/INT: línea de E/S de la puerta B o petición de interrupción
- RB1-RB7: líneas de E/S de la puerta B

Organización de la memoria del PIC 16F84

Organización de la memoria

A continuación podemos ver la organización de la memoria del 16F84:

Podemos comprobar como la memoria está dividida en dos bancos (cada una de las columnas): banco 0 y banco 1.

Las primeras 12 posiciones de cada banco (00h-0Bh y 80h-8Bh) están ocupadas por los Registros de Propósito Especial (Special Purpose Registers).

Estos registros, en los que entraremos en detalle más adelante, son los encargados de controlar ciertas funciones específicas del PIC.

Las 68 posiciones siguientes (0Ch-4Fh y 8Ch-CFh) son los denominados Registros de Propósito General, del inglés General Purpose Registers. Éstos son empleados para guardar cualquier dato que necesitemos durante la ejecución del programa.

BANCO 0

TMR0: es un temporizador/contador de 8 bits. Puede operar de dos modos distintos:

- Temporizador: el registro incrementa su valor en cada ciclo de instrucción (Fosc/4).
- Contador: el registro incrementa su valor con cada impulso introducido en la patita RA4/TOSKI.

En ambos casos, cuando el registro se desborda, es decir, llega a su valor máximo (en este caso 2^8 = 256. Como el 0 también se cuenta, el máximo valor sería 255), empieza de nuevo a contar a partir del 0, no sin antes informar de este evento a través de la activación de un flag y/o una interrupción.

PCL: es el contador del programa. Indica la dirección de memoria que se leerá a continuación. En algunas ocasiones, como el empleo de las tablas, el uso de este registro es imprescindible.

STATUS: registro de 8 bits que sirve para configurar ciertos aspectos del PIC. En la siguiente figura se aprecia la disposición de los bits de dicho registro:

- RP0: indica el banco de memoria con el que se está trabajando. Cuando vale 0 se selecciona el Banco 0 y cuando vale 1 el Banco 1.

PORTA: representación de la puerta A. Cada bit representa una línea de E/S de la puerta A:

Como se puede comprobar, los tres bits de mayor peso no representan ninguna línea de E/S, ya que la puerta A sólo tiene 5 líneas de E/S

PORTB: lo mismo que la puerta A, pero en este caso con 8 líneas de E/S

BANCO 1

TRISA: registro de 8 bits de configuración de la puerta A. Si un bit se encuentra en 1, esa línea de E/S se configura como entrada; si, en cambio, se encuentra a 0, se configura como salida

TRISB: lo mismo que TRISA, pero referente a la puerta B.

Finalmente cabe destacar el registro W, también conocido como registro de trabajo (del inglés work) o acumulador. Es de vital importancia ya que, entre otras, deberemos usarlo de registro puente para llevar a cabo ciertas operaciones.

Instrucciones y circuitería básica del PIC 16F84

Repertorio de instrucciones

A continuación veremos algunas de las instrucciones más importantes, o al menos más empleadas en la programación de PICs, en ASM.

Las restantes se irán viendo en entregas posteriores según vaya siendo necesario u manejo:

- Manejo de registros
- clrf f: limpia el registro f, es decir, pone todos sus bits a 0.
- comf f,d: complementa el registro fuente f cambia los 1 por 0 y viceversa) y el resultado lo deposita en el destino.

Si d = 0 el destino es W y si d = 1, el destino es el registro fuente f.

- Manejo de bits
- bcf f,b: pone a 0 el bit b del registro f.
- bsf f,b: pone a 1 el bit b del registro f.
- Brinco
- Btfsc f, b: explora el bit b del registro f y salta si vale 0
- Btfss f, b: explora el bit b del registro f y salta si vale 1
- Control y especiales
- Goto etiqueta: sitúa el cursor del programa (PCL), en etiqueta

Circuitería básica

En el siguiente esquema podemos ver la circuitería básica, es decir, el circuito mínimo para que el PIC empiece a funcionar

Éste consta básicamente de dos partes:

- Alimentación:

se emplean para ello dos pines: 14 VDD (tensión positiva) y 5 GND (masa).

Se incluye además un pulsador, conectado al pin 4: cuando se introduce un nivel alto de tensión (pulsador abierto) el PIC funciona normalmente y cuando se introduce un nivel bajo (pulsador cerrado) se resetea el PIC.

- Oscilación:

la lleva a cabo el cristal de cuarzo (de 4 Mhz en nuestro caso) junto con los dos condensadores cerámicos (27pF). Existen otros tipos de osciladores que pueden sernos útiles cuando trabajemos con PICs, pero de momento no los veremos.

Nuestro Primer Programa

A continuación vamos a desarrollar nuestro primer programa.

Éste activará un LED conectado a RB0 siempre que el interruptor conectado a RA0 este cerrado. Para ello vamos a montar el siguiente circuito:

En el circuito podemos ver como lo único que hemos añadido al circuito base es un pulsador conectado al pin 17 (RA0), de forma que cuando lo pulsemos se introduzca un cero lógico en el pin y cuando no lo pulsemos se introduzca un uno lógico. Hemos añadido además un LED con su correspondiente resistencia limitadora de corriente en el pin 6 (RB0).

De lo que hemos comentado en esta práctica, caben destacar dos cosas:

- La elección de los pines ha sido arbitraria: se han escogido éstos, pero podíamos haber escogido otros. No obstante, mientras sea posible es mejor organizar el esquema y el programa, y una forma de hacerlo es agrupando por un lado las entrada (Puerta A) y por otro las salidas (Puerta B). Por la misma razón, hemos escogido el pin 0 de cada puerta, en vez de escoger en un sitio el 3 y en otro el 7, por ejemplo.

- En el caso de las entradas, es trivial que cuando se pulse o deje de activar el pulsador se envíe un cero o un uno, pues lo único que queremos es que el PIC pueda detectar un cambio. Así, igual nos da comprobar cuando se envía un cero que cuando se envía un uno, ya que en ambos casos podremos verificarlo.

En este caso se ha elegido el cero como activado porque es lo más común. En el caso de las salidas no ocurre lo mismo, ya que en este caso no se trata de detectar un cambio, sino de activar un dispositivo, por lo que se hace necesaria que el PIC "genere" una diferencia de potencial. Así, la forma de indicar al PIC que lo haga es poniendo a uno la salida.

Hechas estas aclaraciones, veamos el programa:

Comentemos el código:

- Las tres primeras líneas, cuyo núcleo es EQU, permiten que el compilador interprete a partir de ese momento los nombres de la primera columna con las dirección de memoria de la derecha.

El objetivo de estas instrucciones es obvio: facilitar la comprensión del código, ya que es más fácil recordar un nombre que nos sugiere algo que dirección en hexadecimal.

- La siguiente instrucción, org 0, no la analizaremos de momento. Simplemente decir que es necesaria para el correcto funcionamiento del programa, ya que indica el comienzo del código.

- bsf ESTADO,5 nos permite poner a 1 el bit 5 de ESTADO, con lo que conseguimos acceder al banco 1, donde se encuentran los registros de configuración de las puertas.

- clrf PORTA: pone a cero todos los bits del registro porta, con lo que se consigue que dicha puerta se configure al completo como salida. En este caso lo usamos conjuntamente con comf, que transforma los 0 en 1 y viceversa.

Así, se consigue configurar la puerta a como entrada. Podríamos usar otros métodos, como movlw 0xFF junto con movwf PUERTAA, pero el primero lo considero más elegante.

- clrf PORTB: pone a cero todos los bits del registro PORTB, configurando éste como salida.

- bcf ESTADO,5 pone a 0 el bit 5 de ESTADO, volviendo así al banco 0.

- Inicio, apagar y encender son etiquetas, cuya utilidad es marcar un punto del programa; así, si queremos volver a ese punto sólo tendremos que hacer referencia a su nombre.

- btfsc PORTA,0 sirve para saltar si el bit 0 de PORTA vale 0, es decir, cuando se activó el pulsador. En ese caso, vamos a ENCENDER mediante goto ENCENDER, se pone a 1 el bit 0 de PORTB, que es donde está conectado el led y volvemos a INICIO.

Si no está pulsado el interruptor vamos a APAGAR, y hacemos la operación contraria a la anterior. Finalmente volvemos a INICIO.

Programación de PICs.

Todos los microcontroladores necesitan un circuito grabador, llamado programador, para, valga la redundancia, programarlo. En este caso, los PICs, y más concretamente el 16F84, no es una excepción.

El objetivo de este tutorial no es instruir en el manejo de ninguno de estos dispositivos ni facilitar el esquema de alguno de ellos, por lo que no lo haré.

En la red se pueden encontrar miles de circuitos de programadores para PICs. Entre ellos destaca el ProPic2, que podréis encontrar en su página ProPic2.

También puede hacerse necesario el empleo de un entrenador. Éste es un dispositivo que permite analizar el comportamiento del PIC una vez programado, mediante una serie de entradas y salidas predefinidas. Generalmente incluyen una serie de interruptores y/o pulsadores, una barra de leds y un display de 7 segmentos.

Adicionalmente pueden incluir un LCD, motores de corriente continua y paso a paso, zumbadores... Con ello puede verificarse si el microcontrolador se comporta como deseamos antes de la realización de la PCB, que, en caso de no funcionar el circuito, conlleva una importante pérdida de tiempo y de dinero.

Algunos entrenadores incluyen programador, por lo que no se hace necesario extraer el PIC del zócalo programador para insertarlo en el entrenador.

En el aspecto software, para el 16F84 y demás PICs, Microchip dispone de un software gratuito llamado MPLAB, el cual es un entorno de desarrollo para estos microcontroladores. Dicho entorno de desarrollo incluye un compilador que convierte el código fuente del programa (.asm) en un fichero .hex, listo para pasar al microcontrolador.

De esta labor se encarga el software programador, que junto con el circuito de mismo nombre graban el circuito en el micro para que éste funcione según lo que hayamos programado. Existen numerosos programas de este tipo, pero el rey por excelencia en esta categoría es el IC-Prog, que puede descargarse en Ic-Prog

Al igual que un caso anterior, el objetivo de este tutorial no es explicar el manejo de ninguno de estos programas. No obstante, es probable que en alguna entrega se introduzcan los conceptos más elementales, imprescindibles para poder desarrollar nuestros programas

Bibliografía

- Angulo Usategui, José María ; Angulo Martínez, Ignacio. "Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones. 2ª edición" (1999). Editorial McGraw Hill. Madrid.
- http://electronica.webcindario.com/