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TUTORIAL: Programación de microcontroladores – Entrega 1

por Ariel Palazzesi 12 abril, 2007, 12:32 pm 13 Votes 103 Comments

Muchos lectores de NeoTeo se han mostrado interesados en la programación de microcontroladores. Desde hoy tendrán en forma semanal una entrega de este tutorial que les mostrará como hacerlo. ¿Te apuntas?La electrónica ha evolucionado mucho. Casi todo lo que hasta hace unos años se hacia mediante un grupo (a veces muy numeroso) de circuitos integrados conectados entre si, hoy se puede realizar utilizando un microcontrolador y unos pocos componentes adicionales.

De todos los fabricantes de microcontroladores que existen, los más elegidos por los hobbystas suelen ser los modelos de Microchip, en gran parte debido a la excelente documentación gratuita que proporciona la empresa para cada modelo.

El lenguaje nativo de estos microcontroladores es el ASM, y en el caso de la familia “16F” solo posee 35 instrucciones. Pero el ASM es un lenguaje que esta mucho más cerca del hardware que del programador, y gracias a la miniaturización que permite incorporar cada vez más memoria dentro de un microcontrolador sin aumentar prácticamente su costo, han surgido compiladores de lenguajes de alto nivel. Entre ellos se encuentran varios dialectos BASIC y C. El BASIC resulta bastante más simple de aprender.

Antes de comenzar a ver los temas programación en si mismos, debemos aclarar algunos conceptos básicos sobre los microcontroladores para poder entender lo que hace cada instrucción BASIC. Eso será muy útil para los que vayan a comenzar a programar a partir de este artículo.

Lo más interesante de trabajar con microcontroladores es que se necesitan conocimientos tanto de electrónica (hardware) como de programación (software) así que a lo largo de estos tutoriales iremos viendo temas de ambas disciplinas, ya que íntimamente vinculadas.

Un microcontrolador es como un ordenador en pequeño: dispone de una memoria donde se guardan los programas, una memoria para almacenar datos, dispone de puertos de entrada y salida, etc. A menudo se incluyen puertos seriales (RS-232), conversores analógico/digital, generadores de pulsos PWM para el control de motores, bus I2C, y muchas cosas más. Por supuesto, no tienen ni teclado ni monitor, aunque podemos ver el estado de teclas individuales o utilizar pantallas LCD o LED para mostrar información.

En general, por cada cuatro ciclos de reloj del microcontrolador se ejecuta una instrucción ASM (una instrucción BASIC consta generalmente de mas de una instrucción ASM). Esto significa que un PIC funcionando a 20MHz puede ejecutar 5 millones de instrucciones por segundo.

Los pines del PIC se dedican casi en su totalidad a los puertos que mencionábamos anteriormente. El resto (2 o mas) son los encargados de proporcionar la alimentación al chip, y a veces, un sistema de RESET. Desde BASIC es posible saber si un pin esta en “estado alto” (conectado a 5V o a un “1” lógico) o en “estado bajo” (puesto a 0V o a un “0” lógico”). También se puede poner un pin de un puerto a “1” o “0”. De esta manera, y mediante un rele, por ejemplo, se puede encender o apagar una luz, motor, maquina, etc.

Uno de los microcontroladores más famosos de todos los tiempos ha sido, sin duda, el 16F84A, que ya es considerado obsoleto. Un buen reemplazo es el 16F628A, y es el que utilizaremos en la mayoría de los ejemplos y proyectos que veamos. La disposición de sus pines es la siguiente:

Como podemos ver, los pines 1, 2, 3, 4, 15, 16, 17 y 18 tienen el nombre de RAx. Esos pines conforman el puerto A, “PORTA” de ahora en más. Los pines 6 al 13 forman parte del puerto B (“PORTB”). El pin 5 es el que se conectara al negativo de la fuente de alimentación. El 14 irá conectado a 5V.

Como habrán notado, muchos de los pines tienen más de una descripción. Esto se debe a que pueden utilizarse de varias maneras diferentes, seleccionables por programa. Por ejemplo, el pin 4 sirve como parte del PORTA, como RESET (MCLR = Master Clear) y como tensión de programación (Vpp)

No es mala idea descargar desde la web de Microchip la hoja de datos de este microcontrolador (esta en inglés) para tenerla siempre a mano.

Ahora bien ¿Cómo colocamos el programa dentro del PIC? Para ello necesitamos algunas herramientas. Por un lado, es necesario un “quemador” de PICs, como el que publicamos en NeoTeo, o alguno de los varios disponibles comercialmente. Uno que me gusta particularmente es el GTP-USB+, ya que al funcionar conectado al puerto USB es muy veloz. Además, necesitaremos un software que envíe el programa al PIC. Para ello usaremos el WinPIC800, que es un excelente soft gratuito.

Y también vamos a necesitar un compilador, para “traducir” nuestro programa en BASIC al ASM que es capaz de entender el PIC. Después de mirar varios candidatos, en este momento parece una buena elección el PIC SIMULATOR IDE, que no solo es un excelente compilador de BASIC, si no que además (y por solo 29 euros) ofrece un entorno de simulación de nuestros circuitos. Existe una versión de prueba que se puede bajar gratuitamente desde aquí.

El primer ejemplo que veremos, equivalente al “hola mundo” de cualquier otro entorno de programación, consiste en encender y apagar continuamente un LED conectado a uno de los pines del micro. Utilizaremos el circuito siguiente:

A diferencia de un programa de ordenador, donde uno escribe el programa, lo compila, lo ejecuta y ya, en el mundo de los microcontroladores hay que, previamente, definir el tipo de microcontrolador que se va a utilizar, cual va a ser su frecuencia de clock, como va a ser el circuito en que se va a utilizar el mismo, etc.

En primer lugar, vamos a aprovechar el oscilador interno del 16F628A y nos evitaremos el cristal y condensadores asociados. El puerto B del micro tiene su pin 9 conectado a un LED mediante una resistencia de 220ohms, que tienen como función limitar la corriente que circula por el LED. Esta será nuestra “salida”.

El circuito debe alimentarse con 5v bien filtrados y regulados. Volviendo a nuestro programa, vamos a escribir el “hola mundo” de los microcontroladores: encender un LED.

El primer paso es elegir en PIC SIMULATOR IDE, desde el menú “Opciones” -> “Select Microcontroller”, el microcontrolador PIC16F628A. Luego, debemos configurar los bits correspondientes, como se ve en las figuras de más abajo.

Lo destacable por ahora de esta configuración es que estamos dejando la memoria (FLASH y EEPROM) sin protección, que el pin RESET se va a comportar como I/O y que usaremos como oscilador el oscilador interno INTRC.

Una vez hecho esto, arrancamos el editor de BASIC (presionando CTRL-C, por ejemplo), y escribimos el siguiente código:

AllDigital

TRISA = %11111111
TRISB = %00000000

loop:
PORTB.3 = 1
WaitMs 500
PORTB.3 = 0
WaitMs 500
Goto loop

Vamos a analizarlo línea por línea para entender su funcionamiento:

La línea 1 utiliza la sentencia AllDigital para convertir todos los pines del micro en pines de E/S. Esto equivale a deshabilitar los comparadores, conversores A/D y todos los módulos que pudiese tener nuestro microcontrolador. No es la única manera de hacer esto, pero si la mas sencilla.

Las líneas 3 y 4 convierten todos los pines del puerto A en entradas ( TRISA = %11111111 ) y los del puerto B en salidas ( TRISB = %00000000 ). El “%” indica que el numero que viene a continuación esta en binario. Se podría haber escrito, por ejemplo TRISB = 0 y hubiera sido lo mismo. Personalmente me gusta esta manera, ya que “veo” el estado de cada pin. Por supuesto, es valido activar como entrada algunos pines, y como salidas otros, haciendo algo parecido a TRISB = %11000111.

En la línea 6 encontramos una “etiqueta” ( loop: ). Esta no hace nada, solo sirve como referencia para enviar el flujo del programa a esa línea desde otro lugar, mediante la sentencia “Goto”.

La línea 7 pone en “1” el pin correspondiente a PORTB.3, de manera que en el pin 9 del microcontrolador habrá 5V. Esta tensión hará que circule una corriente a través de la resistencia limitadora y el LED1, haciendo que este se encienda, ya que el cátodo se encuentra conectado a 0V.

En 8 tenemos la sentencia WaitMs 500. WaitMs se encarga de hacer una pausa en milisegundos. La duración de la pausa esta dada por el número que sigue a la instrucción, en este caso 500 milisegundos, o medio segundo.

Luego, en 9, otra vez se vuelve a poner en 0 el pin 9, mediante PORTB.3 = 0 , lo que provoca que ese pin se ponga a 0V, y no haya mas circulación de corriente a través de la resistencia y del LED, con lo que este se apaga.

En la línea 10 se hace nuevamente una pausa de medio segundo, y por ultimo, la línea Goto Loop hace que el programa continúe en la línea 6 (que es donde esta la etiqueta Loop).

El programa se repite indefinidamente, encendiendo el LED medio segundo, apagándolo otro medio segundo.

Con esto, terminamos la primera entrega de este tutorial. Solamente hemos arañado la superficie de un mundo apasionante. No te pierdas la segunda entrega la próxima semana.

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