Diseño Basado en Microcontroladores. · PWM DMAC CONVERTIDOR A-D Y D-A ... • 3 phase motor...

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Diseño Basado en Microcontroladores.

Tema 2: Microcontroladores. (2 horas)

2.1. Introducción.

2.2. Estructuras específicas para el control de sistemas.

2.3. Características generales de los microcontroladores.

2.4. Familias de microcontroladores.

2.5. Aplicaciones básicas. Elección del microcontrolador.

http://www.el.uma.es/marin/

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Tema 2. Microcontroladores.

Objetivos específicos:

-Diferenciar entre microprocesador y microcontrolador.

-Conocer los principales fabricantes de microcontroladoresy sus familias.

-Conocer los campos de aplicación de los microcontroladores.

- Decidir entre microprocesador-microcontrolador yelegir el más apropiado para un determinado diseño.

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Bibliografía recomendada.

[González, 1992]. El capítulo de introducción trata de forma clara,aunque un poco esquemática los conceptos.[WEB]. En las páginas Web de los fabricantes se pueden obtenerinformación detallada de las distintas familias de microcontroladores

y notas de aplicación sobre diversos diseños.

Tratamiento didáctico específico.Es un tema descriptivo cuyo objetivo es situar a la asignatura tanto en lo que respecta a la necesidad del microcontrolador como a sus prestaciones y campos de aplicación. Puesto que en los demás temas se tratan con detalle la arquitecturay los distintos bloques de un microcontrolador, la exposición del tema será de tipo lección magistral.

Tema 2. Microcontroladores.

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2.1. Introducción.

Un microcontrolador es un circuito integrado (IC, Integrated Circuit) digital

diseñado para aplicaciones que requieren de procesadores que realicen

cálculos aritmético-lógico de forma programada y de dispositivos que

lleven a cabo, por sí solos, las tareas propias de un sistema de control.(System-on-chip) (Embedded controller) http://www.embedded.com

Principales características:

- su bajo coste,- su alto grado de integración,- su simplificación de periféricos adicionales, y- su cada vez mayor capacidad y velocidad de ejecución- su cada vez mínimo consumo de potencia a un precio razonable.

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8 8 8 8 8

PUERTOS DE ENTRADA/SALIDA

CPU

RELOJ RAM ROM

R0H R0L816 20

20

16

1616 x 16Multiplicador

Base Estático SB Pila Usuario USPPila Interrupciones ISP

Tabla Vector Interrup. INTB

Contador de Programa PC

Banderas

R0H R0LR1H R1L

R2R3

A0 (=R4)A1 (=R5)

Base Marco FB

PERIFÉRICOS

TIMERS

WaTchDog

PWM

DMAC

CONVERTIDORA-D Y D-A

UART’s

I2C

CRC

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2.2. Estructuras específicas para el control de sistemas. 1/2

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DIAGRAMA DE BLOQUES M16C 2/2

R0H R0LR0H R0LR1H R1L

R2R3

Address Reg. A0Address Reg. A1

Frame Base Reg. FB

Static Base Reg. SB

Vector Table INTB

Program Counter PC

Flag Register FLG

Stack Pointer

USP (User Stack Pointer)

ISP

Multiply circuit16X 16

ROM/Flash

256 K bytes

RAM

20 K bytes

MEMORIAS

P0

8

P1

8

P2

8

P3

8

P4

8

P5

8

P6

8P7 8

P8 8

P9 8

P10 8

Timer

5 x A Timer (16 bit)

6 x B Timer (16 bit)

Watch dog timer (20 bit)

DMAC 2 channel

D-A converter 8 bit 2 ch.

System clock generator

Xin - Xout

Xcin - Xcout

A-D converter(10 bit x 8 channelexpanded to 10 ch)UART / Clock

sync. serial I/O5 channels

CRC operationcircuit

I/O Ports

8

R0H R0L816 20

20

16

1616 x 16

Multiplier

Static Base User stack USP

Interrupt stack ISP

Interrupt Vector Table INTB

Program Counter PC

Flags

R0H R0L

R1H R1L

R2

R3

A0 (=R4)

A1 (=R5)

Frame Base

2.2. Estructuras específicas para el control de sistemas.

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RAM

10 Kb

ROM

64 KbCRC

DAC

ADC

BIUDMAC

CPU

MULTIPLICADOR

TIMERS

B A

WDTINTERRUPCIONES

C

UART

BRG

BUS DATOS/DIRECCIONES

CONTROLBUS

2.3. Características generales.

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8XC151SX

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Itinerario de los M16C

2.4. Familias de microcontroladores. Itinerarios.

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2.4. Familias de microcontroladores.Familias de microcontroladores de Renesas

7700(8-bits)

M16C/10

M16C/26, 26A, 28, 29M16C/20 Tiny

M16C/30P

M16C/30L

M16C/30M16C/30

M16C/62P

M16C/62 A, M, N

M16C/61

M16C/60

M16C/60

M16C/80

M32C/80 (CISC+RISC)

M16C(16-bits CISC)

M32R(32-bits CISC)

GRUPOSSERIESFAMILIAS

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EmpaquetadoFP: rectangular 100 pinesGP: cuadrado 100 pines

M 3 0 6 0 0 S 8 - XXX FP

Serie o Grupo 60/62 Capacidad ROM:4: 32 Kbytes8: 64 KbytesA: 96 KbytesC: 128 KbytesG: 256 KbytesW: 320 KbytesH: 384 KbytesJ: 512 Kbytes

Familia M16CTipo de memoria:

M: ROM máscaraS: ROM externaF: Flash

M 3 0 6 2 4 F G - XXX FP

Capacidad RAM

M30600S8FP / M30624FGAFP / M30626FHPFP

M 3 0 6 2 6 F H - XXX FP

Se omite paraversiones Flash

EmpaquetadoFP: rectangular 100 pinesGP: cuadrado 100 pines

M 3 0 6 0 0 S 8 - XXX FP




M 3 0 6 2 4 F G - XXX FP

Capacidad RAM


M 3 0 6 2 6 F H - XXX FP





M 3 0 6 2 4 F G - XXX FP

Capacidad RAM


M 3 0 6 2 6 F H - XXX FP


Figura 2.2. Descripción de los microcontroladores de Renesas

2.4. Familias de microcontroladores.

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2.5. Aplicaciones básicas. 1/4

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AUTOMOTIVE APPLICATIONS

Engine and gear boxair pressure injection,gas exhaust control,oil quality,automatic gear box control...

SafetyAirbag,tyre monitoring,anti-crash systems...

Chassis stabilisationAntiskid, active suspension.

..

Instrumentationair conditioning ,anti-theft system,guidance system...


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• Speech compression & playback– #1 GSM codec algorithm– #2 ADPCM

• Telecom– DTMF detection & reception– Soft Modem V23 now V22

under dev– Caller ID– DES encryption

• I2C multimaster– S/W I2C for M16C/20

• Software UART• Security System

– Security/ Fire panel now– Access control under dev

• Flash on chip programming

• Using power down features

• Mask ROM correction• 3 phase motor control

– AC & DC brushless now, Switch Reluctance under development

• LCD control using I/O• Real time clock & Low

power operation


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Aplicaciones básicas de los microcontroladores

Máquina de diálisisMonitores CardíacosBombas de InfusiónPrótesis

Médico

Sistemas de ControlSistemas de FabricaciónRobótica

Control Industrial

Routers, Hub, GatewayRedes

FAX, fotocopiadora, impresora, monitor, escaner

Oficina

T.V. digital y analógicaDVD, VCR, PDA, …JuguetesTeléfonos, teléfono móvilGPSTarjetas de crédito, de seguro médico, …Electrodoméstico gama blanca (lavadora, microondas, frigorífico, tostadora,…)

Electrónica de Consumo

Sistema de EncendidoSistema de ControlSistema de Frenado

Automovilístico

Dispositivos Empotrados (Aplicaciones)Sector

2.5. Aplicaciones básicas.

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A Digital Cellular System

LCD

1 2 34 5 67 8 9* 0 #

Radio ControlRadio Control

RFRF

DSPTDMA

modulatorA0 /D0

A7 /D7

ROMROMA0

A1

A2

A3

A18

RAMRAMA0

A7

D0

D7

D0

D7

Data Bus

Address Bus

Multiplex Bus

32.768 kHz 10 MHz

M16C/60M16C/60

Mic

SPASSP/GA

ANT

PLL1PLL1

PLL2PLL2

TXDCLKS1

CLK1

AN0

ALECS2CS0CS3

A0 ~ A18

D0 /A0~ D7/A18

D0 ~ D7RDW

PORTPORT

SIOSIO

Key

3VLow PowerLow Power

Output multipleOutput multipleclockclock

Low PowerLow Power

BuiltBuilt--in pullin pull--upupresistorresistor

Small ROM CodeSmall ROM Codesize on Csize on CSmall PackageSmall Package

No need externalNo need externalcircuit to connect buscircuit to connect bus


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2.5. Elección del Microcontrolador 1/7

La elección de un microcontrolador es más un arte que una ciencia. El poder de decisión es tremendamente extenso, se pueden elegir entre decenas de fabricante y dentro de éstos entre microprocesadores de la misma familia, y entre distintas arquitecturas (CISC, RISC, VLIW, super-escalar).

Reglas básicas:

-Nivel de rendimiento (performance or throughput): Se debe determinar el nivel de tiempo de funcionamiento en el peor de los casos. Los parámetros más importantes son el tiempo del ciclo de instrucción y la velocidad del bus, que deben ser evaluados conjuntamente. Un bus de mayor velocidad con el menor número de ciclos por instrucción es el que proporciona mayor rendimiento.

-Tamaño del código: La simplificación de código de programa pasa por disponer de eficientes conjuntos de instrucciones y de modos de direccionamiento (óptimas arquitecturas). Motorola 68HC12

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Reglas básicas:

-Latencia de las interrupciones y rendimiento de los periféricos on-chip: Condicionados por las especificaciones de la aplicación.

- Consumo de potencia: En diversas áreas, el consumo de potencia es el factor determinante, incluso por encima del rendimiento (telefonía móvil, en aparatos médicos como audífonos, marcapasos, etc). La relación MIPS/watt es el parámetro utilizado para catalogarlos. Se produce un balance con respecto a los demás requerimientos del microcontrolador, por ejemplo, puede ser deseable una velocidad del bus más lenta para conseguir menor consumo de potencia. Los micros con tecnología CMOS normalmente tienen un menor consumo que los de tecnología NMOS. Es deseable usar microcos con modos standby o slepp que limitan el consumo de intensidad a varios microamperios cuando están inactivos los circuitos. El consumo de potencia, grosso modo, se suele repartir como un 25% para el procesador, un 50% para las memorias y el 25% restante para los periféricos. Actualmente, existe un amplio abanico de posibilidades de elección de microcontroladores de ultra-bajo consumo.

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Reglas básicas:

- Adaptación a la aplicación: Una vez considerado los requerimientos del sistema en cuanto a rendimiento (elegir entre varias familias de microcontroladores), el siguiente paso es exigir que cumpla los requerimientos de funcionalidad de los periféricos: tamaño de memoria, tipo de memoria (EPROM, Flash, ...), número de timer, requerimientos de puertos de E/S, etc.

- Compatibilidad: Otro factor importante es contemplar la posibilidad de ampliación del diseño, esto es, que sea compatible con la siguiente generación y proporcione mayores prestaciones, como más memoria, mayor frecuencia,.... Esto evitará una nuevo re-diseño del sistema.

- Disponibilidad: Se debe asegurar la disponibilidad futura en el mercado, por ello es interesante que existan varios fabricantes del microprocesador, además de que esto proporciona un abaratamiento del coste del micro. Otras consideraciones son asegurarse de que el microcontrolador esté ya en producción y libre de fallos.

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Reglas básicas:-Soporte y documentación: Debe existir un buen manual de usuario (User's Guide), hoja de datos software y hardware, la mayor cantidad de documentación de aplicaciones ya resueltas (Application Guide) con códigos fuente completos y artículos técnicos y científicos, así como un servicio de consultas accesible cómodamente y con respuestas rápidas (E-mail, fax, teléfono).

- Herramientas de desarrollo: Las herramientas de desarrollo, tanto de hardware como de software, son imprescindibles para el desarrollo de la aplicación. Se debe asegurar que sean de alta calidad, no tengan errores (bugs), y con memorias RAM y memorias programables, entre las que se están consolidando las memorias OTP y las FLASH. También, es importante la conexión con un ordenador vía el estándar serie RS-232 o USB. La mayoría de las herramientas de desarrollo actuales tratan de forma totalmente separada el diseño hardware y el diseño software, aunque se están desarrollando herramientas para el co-diseño hardware/software que permite un proceso integrado y más óptimo de cada una de las partes del diseño completo.

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Fabricantes de Microcontroladores y DSP’s:Analog Devices: http://www.analog.com DSP SHARC, DSP BlackfinAdvanced RISC Machines: http://www.arm.com ARM11, ARM7, ARM9, CORTEXAtmel: http://www.atmel.com AT91, AVR, VLIW DSP+ ARM7DSP Group: http://www.dspg.com Palm, Teak, TeakliteFujitsu: http://www.fujitsumicro.com F2MC-16Infineon: http://www.infineon.com 80C16x, C166S V2 (XC16x), TriCoreIntel: http://www.intel.com/design 80x51, 80x86, 80x51Microchip Technology: http://www.mchip.com PIC18Cxxx, dsPICMotorola: http://www.motorola.com 68HCXX, 68K, Coldfire, DSP 56KNational Semiconductor: http://www.national.com CR16xNEC: http://www.nec.com 78Kx, V850Philips Semiconductor: http://www.semicopnductors.philips.com XARenesas (Hitachi+Mitsubishi): http://www.renesas.com 64180, H8/300, H8S/2000, SH, 7700, M16C/6X, M16C/80, M32CSTMicroelectronics: http://www.stm.com STxx, Super 10Texas Instruments: http://www.ti.com MSP430, C3x, C4x, C54x, C6xToshiba: http://www.toshiba.com TLCS-900XEMICS: http://www.xemics.com CoolRISC816, XE8000Zilog, Inc. : http://www.zilog.com Z80, Z180, eZ8 (Z8 Encore), eZ80


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Empresas de software (RTOS y compiladores):

Cosmic: http://www.cosmic-software.comCMX: http://www.cmx.comHi-Tech: http://www.htsoft.comIAR Systems: http://www.iar.comKeil Software: http://www.keil.comParadigm Systems: http://www.devtools.comTasking: http://www.tasking.com


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URL docente y de aplicaciones:

www.zilog.comZiLOG

www.xemics.comXEMICS

www.triscend.comTriscend

www.toshiba.comToshiba

www.ti.comTexas Instruments, Inc.

www.st.comSTMicroelectronics

www.smsc.comStandard Microsystems Corp.

Siemens Components, Inc. (See Infineon)

www.philipsmcu.comPhilips Semiconductors

www.nec.comNEC

http://www.die.upv.esUniversidad Politécnica de Valencia. Dpto. de Ingeniería Electrónica

http://www.disca.upv.esUniversidad Politécnica de Valencia. Dpto. de Informática de Sistemas y Computadores

http://petrus.upc.esUniversidad Politécnica de Cataluña. Dpto. de Ingeniería Electrónica

http://ceres.ugr.es/dpto/docencia.htmlUniversidad de Granada. Dpto. de Electrónica y Tecnología de Computadores

http://www.imse.cnm.es/~elec_esi/Universidad de Sevilla. Dpto. Electrónica y Electromagnetismo

semiconductor.hitachi.comHitachi Inc.

www.dspg.comDSP Group, Inc.

www.dalsemi.comDallas Semiconductor

www.atmel.com/journal/Archive.aspAtmel

www.analog.comAnalog Devices, Inc.

www.arm.comAdvanced RISC Machines Ltd. & Partners

www.amd.comAdvanced Micro Devices, Inc. (AMD)

URLEmpresa/Universidad/Dpto.

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Bibliografía recomendada

[González, 1992]. El capítulo de introducción trata de forma clara,aunque un poco esquemática, los conceptos que se manejarán

en este tema.[WEB]. En las páginas Web de los fabricantes

se pueden obtener información detallada de las distintas familiasde microcontroladores y notas de aplicación sobre diversos diseños.

Referencias

[1] Bannatyne, R. y Viot, G., "Introduction to Microcontrollers, Part I“,Motorola Semiconductor Products Sector, Austin, Texas.

WESCON’97, Conference Proceeding, pp. 564-574.http://intl.ieeexplore.ieee.org/xpl/abs_free.jsp?arNumber=632384

[2] Axelson, J., "The Microcontroller Idea Book: Circuits, Programs& Applications featuring the 8052-BASIC",

Lakeview Research, 1997, ISBN 0-9650819-0-7.http://www.lvr.com

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