DISEÑO Y PROGRAMACION CON
MICROCONTROLADORES PIC Y PICAXE

Desde febrero de 2001 hasta la fecha hemos publicado 6 obras referentes a microcontroladores PIC y PICAXE y prácticamente se ha agotado cada edición, lo que demuestra el interés de los lectores por estos temas. Por otra parte, la gira de eventos organizada para este año por el Club Saber Electrónica incluye a Seminarios de PIC y PICAXE, Niveles 1 y 2 y para ello se ha preparado material educativo en CDs Multimedia Interactivos, VCDs y kits entrenadores, programadores y de aplicaciones prácticas tanto para robótica y PLC. Como somos conscientes de la importancia de este tema, decidimos la publicación de este Manual que resume la información de los textos "Todo Sobre Microcontroladores PICAXE", correspondiente al tomo Nº 16 de la Colección Club SE que actualmente se encuentra en los mejores puestos de venta de Argentina y "Curso de PIC para Estudiantes y Aficionados, Nivel 1", correspondiente al tomo Nº 20 de la Colección Club SE que se publicará en unos meses.

LOS MICROCONTROLADORES PIC

Un PIC es un microcontrolador (Programmable Integrated Circuits = PIC), también denominado “Circuito Integrado Programable”.

Es un componente sumamente útil en la Electrónica de Consumo.

Se trata de “un chip que permite obtener un circuito integrado a medida”, es decir puedo hacer que el PIC se comporte como un procesador de luminancia, un temporizador o cualquier otro sistema mediante un programa que le grabo en una memoria ROM interna. Los microcontroladores PIC son, en el fondo, procesadores similares a otros tipos, como por ejemplo la familia de los microprocesadores X86, 80486, Pentium y muchos otros que usan una arquitectura interna del tipo Von Neumann. En este tipo de arquitectura los datos y la memoria del programa se encuentran en el mismo espacio de direcciones.

Un microprocesador y un microcontrolador no son la misma cosa. Los PICs son microcontroladores, es decir, una unidad que posee en su interior al microprocesador y a los elementos indispensables para que pueda funcionar como una minicomputadora en un solo chip.

Un microprocesador (µP) es solamente la unidad central de procesos o CPU, la memoria, los puertos y todos los demás periféricos son exteriores.

La programación de un microprocesador es, por lo tanto, una tarea compleja porque deben controlarse todos estos dispositivos externos.

Un PIC integra la CPU y todos los periféricos en un mismo chip. El programador se desentiende de una gran cantidad de dispositivos y se concentra en el programa de trabajo.

Esta circunstancia da lugar a una gran pérdida de tiempo porque los datos tienen que ser retirados de la memoria y llevados a la CPU (Central Processor Unit) y viceversa. Esto significa que la computadora dedica la mayor parte del tiempo al transporte de datos de ida o de vuelta, en lugar de usar este tiempo para trabajar sobre los datos.

Estos integrados emplean un conjunto de instrucciones del tipo RISC (Reduced Instruction Set Computer).

Con el RISC se suele ejecutar la mayoría de las instrucciones con un solo pulso del clock. Con las instrucciones que se usan en otros equipos del tipo CISC (Complex Instruction Set Computer), se logran instrucciones más poderosas, pero a costa de varios ciclos del clock. En el bien conocido procesador 68HC11 de Motorota se requieren a veces hasta 5 ciclos del clock para ejecutar una instrucción.

Nos vamos a referir a los microcontroladores como bloques que poseen una memoria de programa, que es el lugar donde deben alojarse los datos que le indiquen al chip qué es lo que debe hacer; una memoria de datos donde ingresen las señales que debe procesar el programa, una unida aritmética y lógica donde se desarrollen todas las tareas, una unidad de control que se encargue de supervisar todos los procesos y puertos de entrada y salida para que el PIC tenga contacto con el exterior (figura 1).

Un PIC tiene entradas, salidas y precisa de algunos componentes exteriores para procesar las señales de entrada y convertirlas en las señales de salida (figura 2). El 16F84 requiere, en general, un cristal con dos capacitares y como mínimo un resistor para el reset. Necesita una tensión de fuente de 5V (VDD) aplicada con respecto al terminal de masa (VSS).

Posee dos puertos de salida, el A y el B, cuyos terminales son marcados RA0 al RA4 y RB0 al RB7. Estos puertos pueden ser programados como de entrada o de salida.

El microprocesador del 16F84 maneja “palabras” de 8 bits, de ahí que posee el puerto B completo (todos los bits de la palabra tienen acceso desde las patas externas) y el puerto A incompleto (sólo están disponibles en las patas del chip los 5 bits menos significativos).

En realidad, y como ocurre en una computadora, los puertos no son más que posiciones de memoria de datos a quienes se colocan circuitos electrónicos que actúan como drivers con el exterior, pero a los fines prácticos podemos decir que cuando tocamos una patita del PIC correspondiente a un puerto, es como si estuviéramos tocando un bit de una posición de memoria de datos.

El terminal 4 opera como reset pero también cumple funciones de carga de memoria de programa cuando es excitado con pulsos de 15V. El terminal RA4 (pata 3) también tiene funciones como entrada de un temporizador y RBO (pata 6) cumple también funciones como entrada de interrupción.

Ahora bien, la mayoría de los microcontroladores (sean de Microchip, National, Motorola, Philips, etc.) se comportan de forma similar, por ello nos vamos a referir a los microcontroladores PIC16F84 cuya arquitectura interna puede observarse en el diagrama en bloques de la figura 3.

Observe primero los bloques externos. Existe un cristal que se conecta en OSC1 y OSC2 para generar el CLOCK del sistema. Luego una señal de entrada llamada MCLR negada, que es un nombre de fantasía para nuestro conocido RESET (debido a que esa pata tiene un doble uso) y, por último, dos puertos paralelos de I/O (entrada o salida) llamados puerto A y puerto B. Una de las patas del puerto A puede ser utilizada como entrada de interrupciones (esta pata especial hace que el microprocesador deje de realizar la tarea que estaba ejecutando y pase a realizar otra tarea alternativa; cuando la termina vuelve a su programa original).

En el bloque de temporizadores observamos un grupo de bloques dedicados a mejorar el funcionamiento pero sin influir directamente en el flujo de señales. Hay un temporizador de encendido, un temporizador de arranque del oscilador de CLOCK, un circuito de reset y un circuito llamado de vigilancia o WATCHDOG. Los dos primeros bloques procuran un arranque ordenado para no producir una carga al mismo tiempo sobre la fuente.

También encontramos un circuito con un nombre curioso: “perro guardián”. Su función es estar vigilante el máximo de tiempo que tarda el microprocesador en completar su programa (o mejor sería decir, la derivación más larga de su programa) y en caso de superarse ese tiempo, provocar un reset automático porque el microprocesador se quedó trabado en alguna parte de su programa.

Los temporizadores no trabajan en forma independientemente sino que requieren conexiones al exterior y al interior del dispositivo. No siempre son utilizados todos los bloques y es el programa quien determina su utilización y además ajusta sus parámetros.

Esto se realiza a través del bloque de control o decodificador de instrucciones.

En la parte superior del diagrama observamos la memoria de programa, el contador de programa, el registro de instrucciones y la pila o STACK de 8 niveles. Cuando hablamos de registros nos referimos a pequeñas unidades de memoria transitoria, construida por lo general con un registro de desplazamiento. Son memorias volátiles que se utilizan para guardar información por un tiempo mínimo, con el fin de realizar una operación compleja de varios pasos.

El contador de programa es el responsable de que el microprocesador vaya analizando las instrucciones en orden ascendente. Este guarda el número de instrucción en el STACK y la instrucción misma la pasa al registro de instrucciones desde donde se envía al resto del microprocesador.

El STACK es, en realidad, una pila de registros (en nuestro ejemplo hay 8), debido a que el programa puede tener derivaciones (en la jerga LOOPS, rulos o subprogramas). Cuando se termina de ejecutar un loop se debe volver al mismo punto del programa en donde se había producido la bifurcación y eso es posible porque ese número de instrucción quedó guardado en uno de los registros de la pila.

Es común que un loop tenga, a su vez, un loop secundario y cuando se ejecuta ese loop secundario se debe volver al mismo punto del loop primario, eso se consigue con guardar ese número de instrucción del loop secundario en otro registro de la pila.

En la parte inferior se ubican los bloques responsables de efectuar operaciones matemáticas y lógicas binarias (a la izquierda); el nombre ALU proviene de Aritmetic Logic Unite (unidad arimética y lógica). En este sector es imprescindible utilizar un registro, ya que una operación aritmética o lógica siempre se efectúa entre dos números. Los números binarios que deben procesarse se toman de la memoria de datos, el primero se acumula en el registro de trabajo o registro W (de Work = trabajo) el segundo es el presente en el instante en que se invoca la memoria de datos.

Como las operaciones pueden ser encadenadas (cuando el resultado sirve como operando de la siguiente operación, tal como el caso de un producto) el registro W tiene un retorno a la ALU. Vemos además que la ALU está comandada por el bloque MUX (MUltipleXador). En efecto, la ALU requiere que se le envíen números para procesar que le lleguen desde la memoria de datos, pero antes se la debe predisponer para que efectúe la operación requerida (comparación, rotación de dígitos, etc.).

El registro de estado o estatus colabora durante las operaciones matemáticas.

Piense cómo opera Ud. Para realizar una resta: primero ubica el primer número, luego el segundo y después comienza a analizar los bits menos significativos (las unidades), pero si el número de arriba es menor que el número de abajo, entonces toma prestado de la columna de las decenas, luego debe recordar esto porque el número de arriba en la columna de las decenas se redujo en una unidad. En realidad, aunque se trate de una operación entre dos números, su ejecución requiere guardar lo que se llama acarreo en otro registro y éste no es otra cosa más que el registro STATUS.

El PIC16F84 contiene además de todo lo visto, una memoria RAM de registros (memoria libre) que puede ser llamada desde el registro de instrucción a través de un multiplexador de direcciones. Esta sección sólo se utiliza en desarrollos avanzados y en el sistema PICAXE no está disponible, tal como veremos más adelante.

Ahora bien, un microcontrolador sin programa no sabe hacer nada, es como un niño recién nacido; tiene algunos reflejos condicionados como el de succión que le permite alimentarse pero no sabe hacer más que eso.

Para que un PIC “sirva para algo” hay que programarlo y eso se realiza con una plaqueta de programación y de un software que permite la comunicación entre la computadora y dicha plaqueta.

Antiguamente, los microprocesadores tenían una ventanita transparente y era necesario exponerlos a la luz ultravioleta para borrar su memoria e introducir un programa nuevo.

Actualmente cuentan con memorias que no tienen este requisito. Basta con cargarlos con un programa para que se borre el anterior. Esto significa que, con el mismo integrado, podremos construir diferentes dispositivos que realicen funciones totalmente distintas unas de otras.

Los PICS que poseen la letra “F” (16F84, por ejemplo) pueden ser programados hasta 1 millón de veces porque poseen memoria flash, mientras que los que poseen la letra C (16C92, por ejemplo) sólo pueden ser programados una vez ya que poseen memoria ROM y son más económicos. La Memoria de Programa del PIC16F84 es una EEPROM, es decir, de lectura solamente (ROM = Read Only Memory) que se programa por tensión (no necesita luz ultravioleta); es decir que basta con introducir los datos con cierto nivel de tensión para que éstos borren el programa anterior y graben uno nuevo.

Se llama ROM porque para grabarla se debe conectar el PIC al programador; luego de que el PIC coloca estos datos en la plaqueta del dispositivo, sólo pueden ser leídos, ya que entonces forman el programa del PIC.

Esta memoria (figura 4) tiene una longitud de 1 Kbyte con palabras de 14 bits. Digamos que tiene un ancho de 14 bits y una altura de 1.000 Bytes o que es una memoria de 1.000 x 14. Observe que los números de instrucción en hexadecimal van desde el 000 al 3FF, lo cual implica que existen 1.040 posiciones de memoria, valor obtenido empleando la fórmula:

 
 
Observe que dos de las posiciones de memoria tienen las indicaciones “vector de reset” y “vector de interrupción”.

Eso significa que, cuando se provoca un reset, el microprocesador vuelve a la posición 000 del programa y cuando se produce una interrupción, a la posición 004. Estos retornos forzados deben ser considerados al diseñar el programa del microprocesador; es decir que el reset se produce porque la señal externa pone el contador de programa en 000 y todo el programa se reinicia. En cambio, cuando ingresa una señal por la pata de interrupción el contador de programa va a 004 y la acción que, en general ocurre, es que se comienza a leer un subprograma particular.

Cuando este subprograma termina, el contador de programa recupera el número que tenía en el momento de arribar la interrupción.

La Memoria de Datos RAM (Random Access Memory = memoria de acceso aleatorio, figura 5) es una memoria de lectura y escritura de 64 posiciones. De estos registros, los primeros 12 son fijos y cumplen un propósito determinado, en tanto que desde el 13 hasta el 48 son registros de propósito general, en donde el programa puede indicar que se almacene un dato para ser tomado más tarde.

En cuanto a los puertos de entrada/salida (IO), el PIC16F84 tiene dos puertos paralelos de entrada o salida: el puerto “A” de 8 patas y el “B” de 5 patas. Cada pata puede ser predispuesta por el programa para operar como de entrada o de salida. Cada pata tiene un resistor de pullup (resistor conectado a fuente) interno que puede ser desconectado mediante el programa.

Estos resistores se desconectan automáticamente si una pata se predispone como pata de salida debido a que las salidas ya tienen posibilidad de entregar corriente desde fuente con un transistor. Todos los resistores de pull-up se conectan o desconectan al mismo tiempo (no existe un comando que los conecte independientemente).

Una pata del puerto de salida puede tomar 25mA del circuito o entregar 20mA al mismo, sin embargo, en el puerto “A” sólo se pueden consumir 80mA en total o entregar 50mA, esto significa que sólo algunas patas pueden trabajar al máximo porque si todas lo hicieran (y son 8) el consumo total sería de 25 x 8 = 200mA. El puerto “B” tiene otras características máximas, ya que en total puede tomar 150mA o entregar 100mA. Como vemos, las salidas admiten suficiente carga como para alimentar directamente a un led (figura 6).

Los puertos no utilizados siempre se deben conectar a la fuente de 5V a través de un resistor de 10kohm?debido a que se trata de un dispositivo CMOS que, de otro modo, podría deteriorarse por captación electrostática (figura 7).

La pata 3 perteneciente al puerto “A” puede ser configurada como de entrada/salida o como de arranque de un temporizador/contador (figura 8). Cuando se programa como entrada esta pata funciona como un disparador de SCHMITT o Schmitt trigger ideal para reconocer señales distorsionadas o con crecimiento lento. Esta misma pata también tiene una característica distinta cuando opera como salida. Ella es la única que trabaja a colector abierto, es decir, que no puede emplearse como fuente, en este caso siempre se utilizará un resistor externo.

Los PICs poseen un oscilador configurable por programa de características muy amplias.

Cuando no se requiere mucha precisión se puede trabajar con un oscilador a RC conectado según la figura 9. Para circuitos que requieran una gran precisión se puede trabajar con un cristal de frecuencia baja, media o alta (figura 10). Como máximo el PIC16C84 puede trabajar con un cristal de 10MHz.

Internamente la frecuencia del cristal se divide por 4, por lo tanto, es muy común la utilización de un cristal de 4MHz para obtener un CLOCK interno de 1MHz que garantiza que cada instrucción dure exactamente 1mS. Para temporizadores de período largo se utilizan cristales de baja frecuencia.

El PIC “se resetea” cuando la pata 4 (MCLR negada) se pone a potencial bajo. Para simplificar el circuito de reset el PIC posee un temporizador interno que permite realizar un reset automático cuando se aplica tensión de 5V. En estos casos, el circuito externo de reset sólo implica el uso de un resistor de 10kohm?entre la pata 4 y fuente tal como se muestra en la figura 11.

En muchos circuitos es necesario realizar un reset manual y para ello existen dos posibilidades, una es utilizar sólo el temporizador interno (por programa) y la otra es agregar una constante de tiempo exterior como se muestra en la figura 12. En el segundo circuito C1 provee un retardo al encendido o posterior al pulsado de reset porque C1 se cargará lentamente a través de R1 con una constante de tiempo de 22kohm?x 10µF = 220mS.

El resistor R3 limita la corriente de descarga de C1 a valores compatibles con sus características de corriente de pico máxima.

El diodo D1 descarga a C1 cuando la tensión de fuente decae para permitir un reset inmediato cuando la fuente se apaga y se enciende en rápida sucesión. R2 limita la corriente de reset, tomada desde el microprocesador.

Este segundo sistema se suele utilizar cuando se requiere un reseteado remoto a través de varios metros de cable que podrían captar zumbido (C1 reduce la impedancia del circuito de reset).

 
Continúa...
Autores: Ing. Horacio D. Vallejo - Ing. Ismael Cervantes de Anda
FIGURA 01
 
FIGURA 02
 
FIGURA 03
 
FIGURA 04
 
FIGURA 05
 
FIGURA 06
 
FIGURA 07
 
FIGURA 08
 
FIGURA 09 - 10 - 11
 
 
 
 
 
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