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Título de la obra:

MICROCONTROLADORES: FUNDAMENTOS Y APLICACIONES CON PIC

Autores: © Fernando E. Valdés Pérez © Ramon Pallàs Areny Composición y preimpresión: Carles Parcerisas Civit (3Q Editorial)

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ISBN: 84-267-14XX Impreso en España Printed in Spain D.L.: XXXXX

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Índice general — 5

Índice general Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 Introducción a los microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1 Microprocesadores y microcontroladores: caracterización ................................................ 11 1.2 Componentes de un microcontrolador ............................................................................ 14 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4

El perro guardián .............................................................................................................................................. 17 Reset ................................................................................................................................................................ 18 Bajo consumo................................................................................................................................................... 19 Protección del programa frente a copias ........................................................................................................... 21

1.3 Arquitecturas von Neumann y Harvard ........................................................................... 21 1.4 Arquitecturas CISC y RISC ................................................................................................ 24 1.5 Microcontroladores, microprocesadores y sus fabricantes ................................................ 24

2 Los microcontroladores PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1 Características generales de los microcontroladores PIC .................................................. 29 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8

La Unidad Aritmética y Lógica y el registro W en los microcontroladores PIC ...................................................... 30 Ciclos de máquina y ejecución de instrucciones ................................................................................................. 31 Segmentado (pipeline) en la ejecución de instrucciones ................................................................................... 33 Osciladores ....................................................................................................................................................... 34 Bits de configuración ........................................................................................................................................ 36 Fuentes de reset................................................................................................................................................ 38 Modo de bajo consumo .................................................................................................................................... 42 Perro guardián ................................................................................................................................................. 43

2.2 Familias de microcontroladores PIC................................................................................. 45 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Microcontroladores de gama baja .................................................................................................................... 45 Microcontroladores de gama media.................................................................................................................. 47 Microcontroladores de gama alta ..................................................................................................................... 51

3 La memoria en los microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1 Conceptos básicos .......................................................................................................... 55 3.1.1 3.1.2

Organización lógica de la memoria ................................................................................................................... 56 Tipos de memorias ........................................................................................................................................... 58

3.2 La memoria en los microcontroladores PIC de gama media .............................................. 61 3.2.1

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La memoria de programa. ................................................................................................................................ 62 3.2.1.1 Direccionamiento de la memoria de programa ................................................................................. 62 3.2.1.2 Lectura y escritura de la memoria de programa ................................................................................ 64

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6 — Microcontroladores PIC 3.2.2 3.2.3

La memoria RAM de datos ................................................................................................................................ 68 3.2.2.1 Direccionamiento de la memoria de datos. ....................................................................................... 70 3.2.2.2 Registros de funciones especiales ..................................................................................................... 72 La memoria EEPROM de datos. ......................................................................................................................... 75

4 Repertorio de instrucciones y programación en lenguaje ensamblador . . . . . 79 4.1 Conceptos básicos .......................................................................................................... 79 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

Código de máquina y lenguaje ensamblador .................................................................................................... 79 Estructura de las instrucciones.......................................................................................................................... 82 Modos de direccionar los datos ......................................................................................................................... 84 La pila. ............................................................................................................................................................. 85

4.2 Repertorio de instrucciones de los PIC de gama media..................................................... 88 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5

Instrucciones de transferencia de datos. ........................................................................................................... 91 Instrucciones aritméticas y lógicas. ................................................................................................................... 92 Instrucciones de transferencia de control. ......................................................................................................... 95 4.2.3.1 Saltos incondicionales, llamadas a subrutinas y retornos. ................................................................ 95 4.2.3.2 Saltos condicionados........................................................................................................................ 99 Instrucciones que operan con bits ................................................................................................................... 102 Otras instrucciones ......................................................................................................................................... 103

4.3 Elementos del lenguaje ensamblador (para el ensamblador MPASM de Microchip) ......... 103 4.3.1 4.3.2

4.3.3 4.3.4 4.3.5

Introducción ................................................................................................................................................... 103 Expresiones, operaciones y operadores ........................................................................................................... 109 4.3.2.1 Operadores aritméticos .................................................................................................................. 110 4.3.2.2 Operadores lógicos y de relación ..................................................................................................... 111 4.3.2.3 Operadores lógicos que operan directamente con bits..................................................................... 112 4.3.2.4 Operadores de asignación .............................................................................................................. 112 4.3.2.5 Operadores de dirección ................................................................................................................. 114 Directivas ....................................................................................................................................................... 114 4.3.3.1 Directivas de uso general................................................................................................................ 116 4.3.3.2 Directivas utilizadas en la codificación relocalizable........................................................................ 121 Macroinstrucciones ........................................................................................................................................ 127 Organización de un programa en lenguaje ensamblador ................................................................................ 130

4.4 Recursos disponibles para programar en el lenguaje ensamblador de los microcontroladores PIC ..................................................................................................136 4.4.1

4.4.2 4.4.3

El ensamblador MPASM.................................................................................................................................. 137 4.4.1.1 Generación de código absoluto ....................................................................................................... 137 4.4.1.2 Generación de código relocalizable ................................................................................................. 138 4.4.1.3 Archivos involucrados en el ensamblaje.......................................................................................... 139 El enlazador MPLINK ...................................................................................................................................... 142 El gestor de bibliotecas MPLIB ........................................................................................................................ 145

5 La entrada y salida en paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.1 Conceptos básicos sobre entradas y salidas digitales ..................................................... 149 5.1.1 5.1.2

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Métodos de transferencia de datos ................................................................................................................. 150 Técnicas de entrada y salida ........................................................................................................................... 153

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Índice general — 7 5.2 Los puertos paralelos en los PIC de clase media ............................................................. 155 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

El puerto A ..................................................................................................................................................... 158 El puerto B...................................................................................................................................................... 159 El puerto C ...................................................................................................................................................... 161 Los puertos D, E, F y G ..................................................................................................................................... 161 El Puerto Paralelo Esclavo ............................................................................................................................... 162

5.3 Conexión y tratamiento a periféricos comunes .............................................................. 164 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4

Interruptores y diodos LED .............................................................................................................................. 164 Teclados matriciales ....................................................................................................................................... 169 Visualizadores numéricos de 7 segmentos ...................................................................................................... 177 Visualizadores alfanuméricos de cristal líquido ............................................................................................... 180

6 Los temporizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 6.1 Los temporizadores en los microcontroladores PIC ........................................................ 189 6.1.1 6.1.2 6.1.3

El módulo Timer0 ........................................................................................................................................... 190 El módulo Timer1 ........................................................................................................................................... 195 El módulo Timer2 ........................................................................................................................................... 199

6.2 El módulo C .............................................................................................................. 202 6.2.1 6.2.2 6.2.3

Modo de captura ............................................................................................................................................ 204 Modo comparador .......................................................................................................................................... 208 Modo PWM .................................................................................................................................................... 210

7 Las interrupciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 7.1 Conceptos básicos sobre las interrupciones ................................................................... 217 7.1.1 7.1.2 7.1.3

Las solicitudes de interrupción y recursos asociados........................................................................................ 217 Atención a las solicitudes de interrupción ....................................................................................................... 219 Interrupciones fijas y vectorizadas .................................................................................................................. 221

7.2 Las interrupciones en los microcontroladores PIC .......................................................... 224 7.2.1 7.2.2

Fuentes de interrupción y registros asociados ................................................................................................. 224 Estructura del subprograma de atención a una interrupción ........................................................................... 230

7.3 Ejemplos de uso de las interrupciones ........................................................................... 234 7.3.1 7.3.2 7.3.3

Reloj de tiempo real ........................................................................................................................................ 234 Sincronización de eventos al reloj de tiempo real ............................................................................................ 239 Protección contra fallos de hardware .............................................................................................................. 243

8 La entrada y salida en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 8.1 Conceptos básicos sobre entradas y salidas en serie ....................................................... 247 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5

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Introducción a la transmisión de datos en serie ............................................................................................... 247 Comunicación asincrónica .............................................................................................................................. 249 Comunicación sincrónica ................................................................................................................................ 249 Conexión entre equipos: interfaz RS-232C....................................................................................................... 250 El bus I2C ........................................................................................................................................................ 252

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8 — Microcontroladores PIC 8.2 El puerto serie USART en los microcontroladores PIC ...................................................... 258 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4

Descripción general ........................................................................................................................................ 258 Funcionamiento en modo asincrónico............................................................................................................. 259 Funcionamiento en modo sincrónico............................................................................................................... 262 Velocidad de la comunicación. ........................................................................................................................ 263

8.3 El puerto serie SSP en los microcontroladores PIC .......................................................... 265 8.3.1 8.3.2

Interfaz SPI..................................................................................................................................................... 265 Interfaz I2C ..................................................................................................................................................... 270

9 Las entradas y salidas analógicas. Adquisición y distribución de señales. . . . 275 9.1 Funciones y estructura de un sistema de adquisición y distribución de señales ............... 275 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5

Funciones básicas en los sistemas de medida y control.................................................................................... 275 Margen o rango dinámico .............................................................................................................................. 278 Ancho de banda ............................................................................................................................................. 280 Muestreo de señales ....................................................................................................................................... 282 Arquitecturas para la adquisición de señales. Sistemas de alto y bajo nivel ..................................................... 283

9.2 La etapa frontal para la adquisición de señales ............................................................. 284 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7

Atenuadores ................................................................................................................................................... 285 Amplificadores ............................................................................................................................................... 289 Filtros y protecciones de entrada ..................................................................................................................... 293 Multiplexores analógicos ................................................................................................................................ 296 Filtros anti-alias ............................................................................................................................................. 298 Amplificador de muestreo y retención ............................................................................................................. 300 Convertidores A/D .......................................................................................................................................... 302

9.3 El módulo de conversión A/D de 10 bits en los microcontroladores PIC............................ 305 9.3.1 9.3.2 9.3.3

Arquitectura del módulo de conversión A/D .................................................................................................... 305 Tiempos de una conversión A/D ...................................................................................................................... 309 Programación del módulo de conversión A/D.................................................................................................. 312

9.4 Calibración .................................................................................................................. 315 9.5 Interfaces directas entre sensor y microcontrolador ...................................................... 316 9.6 La etapa de salida para salidas analógicas .................................................................... 320 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.6.5

Convertidores D/A .......................................................................................................................................... 320 Desmultiplexado analógico ............................................................................................................................ 321 Métodos de extrapolación .............................................................................................................................. 321 Salidas PWM .................................................................................................................................................. 322 Protecciones de salida .................................................................................................................................... 324

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Anexo. Siglas y acrónimos utilizados en el libro. . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Indice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

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