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Taller de Firmware

Facultad de Ingeniería

Instituto de Computación

Técnicas de Manejo de E/S

Introducción (1/1)

• Los distintos tipo de dispositivos de hardware con los que se debe interactuar tienen particularidades que debemos contemplar.

• También los recursos de interfaz muchas veces son escasos por lo que hay que aprovecharlos al máximo y reutilizarlos de ser posible.

• Todo esto lleva al desarrollo de técnicas de manejo de dispositivos que deberán estar implementadas adecuadamente en el software.

Contenido

• Efecto Rebote

• Optimización de Entradas

• Optimización de Salidas

• Modulación por Ancho de Pulso

• Aspectos Mecánicos

• Efecto Rebote

• Ataque por hardware

• Ataque por software

Efecto Rebote

Aspectos Mecánicos (1/3)

• Las llaves y botones (incluyendo las “teclas”) son, normalmente, dispositivos mecánicos que cierran un circuito poniendo en contacto dos láminas metálicas.

• En el caso de las teclas actualmente se utilizan también otros tipos de métodos (ej: el capacitivo) que no presentan el fenómeno estudiado.


Tomado del Catálogo de Cherry Corporation


Tomado del Catálogo de Cherry Corporation

Efecto Rebote (1/3)

• Las láminas metálicas utilizadas en la

construcción de las llaves/botones poseen,

inherentemente, elasticidad.

• Por ello al intentar ponerlas en contacto se

genera un choque que produce un movimiento

en sentido contrario que aleja las láminas.

• Este proceso se repite hasta disipar la energía

cinética adquirida por la lámina móvil.

Efecto Rebote (2/3)

• Este fenómeno es conocido como efecto

rebote.

• El efecto se manifiesta en el hecho que el cierre

(apertura) del circuito no es instantáneo.

• Durante un cierto tiempo la llave (ó el botón)

oscila entre cerrado y abierto.

• El fenómeno se puede dar tanto al cerrar el

circuito como al abrirlo.

Efecto Rebote (3/3)

t

ON

OFF

Ataque por Hardware (1/4)

• La forma mas sencilla de minimizar el problema por hardware es mediante el uso de un circuito RC.

Tomado de www.embedded.com

../../../../showArticle.jhtml;jsessionid=WONU3FYXEJTCWQSNDLRCKH0CJUNN2JVN%3farticleID=18902552


• El circuito RC si bien no evita el rebote, logra que no haya una oscilación entre cerrado y abierto.

• Esto se logra porque el condensador debe perder (ó ganar) su carga (a través de la resistencia) lo que demora un cierto tiempo.

• Esto “suaviza” la evolución en el tiempo del nivel de la entrada de la compuerta y permite que su salida no siga los vaivenes de la apertura y cierre de la llave.


• Los valores de R1, R2 y C se eligen de forma que la constante de tiempo del circuito de carga ((R1+R2) * C) y descarga (R2 * C) sean similares al tiempo de establecimiento del contacto (el que demora la lámina móvil en detenerse).


t

ON

OFF

0

1

Vin

Ataque por Software (1/5)

• Una de las formas de resolver el problema por software es con una técnica de “cambio de estado demorado”.

• Esta técnica consiste en cambiar el estado de la entrada conectada a la llave un cierto tiempo después que se haya detectado el primer cambio e ignorando todo cambio intermedio que haya.

• Ese tiempo debe ser superior al de establecimiento de la llave.


• Ejemplo de código de implementación:

if (in(LLAVE) != valor_llave) {

delay(T_ESTABLECIMIENTO);

valor_llave = !valor_llave;

}


• Otra forma de resolver el tema es por la técnica de “cambio de estado confirmado”.

• Consiste en cambiar de estado solamente luego que un cierto número de muestras periódicas y consecutivas de la entrada coincidan en un nuevo valor.

• El número de muestras se debe elegir en función de la frecuencia de muestreo y del tiempo de establecimiento de la llave.


• Ejemplo de código de implementación (polling):if (in(LLAVE) != valor_llave){

cont = 0;

while ((in(LLAVE) != valor_llave) && (cont < MAX_CONT_REBOTE)) {

delay(T_MUESTRA);

cont++;

}

if (cont >= MAX_CONT_REBOTE)

valor_llave = !valor_llave;

}


• Ejemplo de código de implementación (interrupción):void interrupt timer() {

if ((in(LLAVE) != valor_llave)&& (cont != 0)) {cont++;if (cont >= MAX_CONT_REBOTE) {

valor_llave = !valor_llave;cont = 0;

}} else {

if (in(LLAVE) != valor_llave)cont = 1;

elsecont = 0;

}

Resumen (1/1)

• El efecto rebote aparece en toda llave o botón (switch) implementado por medios mecánicos.

• Puede ser resuelto por hardware (típicamente mediante un circuito RC).

• Puede ser resuelto por software– por “cambio demorado”– por “cambio confirmado”

Optimización de Entradas

• Escasez de Puertos de E/S

• Codificación de Entradas

• Multiplexado en el tiempo

• Organización Matricial

• Precauciones a considerar

Escasez de Puertos de E/S (1/2)

• Los puertos de E/S son, normalmente, un recurso escaso en los microcontroladores.

• Es poco común encontrar microcontroladores que tengan más de algunas decenas de puertos.– 8, 16, 32 son números habituales

• Son además compartidos entre entrada y salida.– muchos microntroladores permiten elegir la

función de cada puerto por programación.


• El problema es cuando tengo más señales lógicas de entrada a considerar que los puertos disponibles.

• Por ejemplo consideremos el caso de un teclado.– Aún si el teclado es solamente numérico se

necesitarían 10 entradas (una para cada tecla asociada a un dígito) y un par más para “aceptar” y “borrar”, por ejemplo.

– Un teclado de PC tiene más de 100 teclas.

Codificación de Entradas (1/5)

• Una forma directa de resolver el problema

sería la codificación de las entradas.

• De esta forma si tenemos N señales de

entrada precisaríamos:

puertos = log2 (N+1)

nota 1: α = parte entera superior de αnota 2: el 1 es para reservar un código (ej: el 0) para cuando no hay señal activa


Mic

roco

ntro

lad

or

Co

dific

ado

r

PE1

PE0

D7

PE2 c

ba

D6D5D4D3D2D1

Señales


• El problema fundamental de esta técnica es

que solamente puede identificar una señal de

entrada por vez.

• Si más de una señal de entrada se activa al

mismo tiempo la codificación que aparecerá

en los puertos de entrada dependerá de

cómo se realice el codificador, pero

probablemente sea errónea.


• El siguiente es un circuito codificador sencillo,

pero que falla si hay dos señales activas a la

vez:


• Este circuito codificador es más elaborado y

resuelve el problema de la simultáneidad

asignando jerarquía.

Multiplexado en el Tiempo (1/3)

• Una forma habitual de resolver el problema

de la escasez de puertos es reutilizando las

mismas entradas para distintas señales en

momentos de tiempo distinto.

• Esto se logra multiplexando las señales en

el tiempo.

• De esta forma un puerto de entrada estará

asociado a una señal diferente en cada

instante.


• El ahorro se comprueba de la siguiente forma:– Supongamos que tengo 8 señales.

– Si no las multiplexara precisaría 8 puertos (de entrada) para manejarlas.

– Pero si las multiplexo me alcanza con 4 puertos• 3 de salida para seleccionar la señal a presentar

• 1 de entrada para recibir el valor

– Otra forma sería:

• 2 de salida para seleccionar una pareja de señales

• 2 de entrada para recibir los valores


• En general para N señales se necesitan:

puertos = log2 N + 1

Mic

roco

ntr

olad

or

Mul

tiple

xorPS1

PS0

D7PS2

PE0 S

c

ba

D6D5D4D3D2D1D0

Señales

Organización Matricial (1/3)

• Para el caso particular de los teclados se

suelen emplear estrategias intermedias, en

función de la cantidad de puertos disponibles.

• El objetivo es simplificar el circuito externo,

evitando el uso de mutiplexores y/o

codificadores.

• Se utiliza el arreglo matricial de las teclas.

puertos = m + n, con m.n ≥ N


• Veamos el ejemplo del teclado numérico:

– 10 teclas de dígitos

– 1 tecla de “Aceptar” y 1 tecla de “Borrar”

• Son 12 teclas en total.

• Se precisarían:

– 12 entradas (método directo)

– 4 (codificado)

– 5 (multiplexado en el tiempo estándar)


• En el caso de la organización matricial vamos a

requerir 7 puertos en el ejemplo.

Mic

roco

ntro

lad

or

PS1

PS0

PS2

PE0

PS3

PE1

PE2

321

654

987

0 AB

Precauciones a Considerar (1/1)

• En el caso de utilizar codificación hay que

recordar que no se pueden detectar distintas

señales en forma simultánea, por lo que está

reservado a unos pocos casos particulares.

• En el caso de multiplexado en el tiempo, el

problema de simultaneidad no se da, pero la

frecuencia de muestreo debe ser

significativamente superior a la frecuencia

más alta de las señales de entrada.

Resumen (1/1)

• Los puertos de un microcontrolador son un

recurso escaso a cuidar.

• Para optimizar su uso se puede recurrir a

técnicas de codificación, multiplexado en el

tiempo ú organización matricial de las entradas.

• Cada técnica tiene sus limitaciones y

condiciones de aplicabilidad.

Optimización de Salidas• Escasez de Puertos de E/S

• Codificación de Codificación

• Multiplexado en el tiempo

– Latch Externo

– Ciclo de Trabajo

• Organización Matricial

• Precauciones a considerar


• Al igual que en el caso de las entradas el

problema de contar con un número limitado

de puertos también se da con las salidas.

• El tipo de soluciones pasa más o menos por

los mismos lugares ya vistos, con algunas

particularidades por tratarse, en este caso, de

salidas.

Codificación de Salidas (1/3)

• Al igual que en las entradas es posible la

codificación de las salidas.

• De esta forma si tenemos N señales de

salida precisaríamos:

puertos = log2 (N+1)

nota 1: α = parte entera superior de αnota 2: el 1 es para reservar un código (ej: el 0) para cuando no hay ninguna salida activa


Mic

roco

ntro

lad

or

Dec

odifi

cad

or

PS1

PS0

D7

PS2 c

ba

D6D5D4D3D2D1

Señales


• El problema fundamental de esta técnica es

que solamente puede identificar una señal de

salida por vez.

• Si bien en este caso no hay problema de

error de codificación, la restricción de no

simultaneidad es mucho más restrictiva: sólo

puede haber una salida activa en cada

instante del tiempo.


• En el caso de las salidas también es factible

el multiplexado en el tiempo.

• En este caso en cada instante un puerto de

salida tendrá el valor de una determinada

señal de salida.

• El principal problema aquí es cuando las

señales de salida deben ser persistentes en

el tiempo, o sea deben tener un nivel

constante.


Mic

roco

ntro

lad

or

Dem

ulti

plex

or

PS1

PS0

D7PS2 c

ba

D6D5D4D3D2D1

Señales

PS3 G


• Por esto es que normalmente la técnica de

multiplexado se acompaña de mecanismos

complementarios que viabilicen su uso:

- Latch Externo

- Ciclo de Trabajo

Multiplexado en el Tiempo

Latch Externo (1/2)

• En este caso se procede a colocar Flip-Flops

externos al microcontrolador para guardar los

estados de las señales de salida.

• Se puede usar el reloj del sistema para

sinronizar o se puede generar un flanco de reloj

mediante un puerto de salida del

microcontrolador


Latch Externo (2/2)M

icro

cont

rola

dor

Dec

odifi

cad

or

PS1

PS0

D7

PS2 c

ba

D6D5D4D3D2D1

Señales

D0

CE

D Q

CE

D Q

PS3

CLK


Ciclo de Trabajo (1/7)

• Otra forma muy habitual de multiplexar salidas

en el tiempo es utilizar algunas características

físicas de los fenómenos que se quieren

manipular con las señales de salida.

• Típicamente:

– constantes de tiempo térmicas en fenómenos de

transferencia de energía.

– persistencia de las retinas de los seres humanos.



• Las mencionadas características están vinculadas al denominado “ciclo de trabajo”.

• Este parámetro caracteriza una onda cuadrada (o mejor dicho rectangular) y establece la relación entre la duración del estado “alto” respecto a la del ciclo completo en un período.

• Una onda cuadrada “perfecta” tiene un ciclo de trabajo del 50%.



• El multiplexado en el tiempo con ciclo de

trabajo compensado, busca generar el mismo

valor medio de la señal en el ciclo completo.

• Si estoy multiplexando N señales, entonces el

valor de salida deberá ser N veces más grande

durante el “time-slot” que le corresponda a la i-

ésima señal, para compensar su falta en el

resto del ciclo.



• Como muchos fenómenos físicos responden al

valor medio (o a la integral en el tiempo) de la

señal, entonces no ven afectado su efecto por

el uso del multiplexado.

• Ejemplo:– supongamos que tengo que entregar 50 Joules a

una resistencia para calentar un horno de precisión, usando una fuente de 5 Volts.



– La forma directa es entregarle 10 A en forma constante en el tiempo.

• P = V.I = 5 V . 10 A = 50 Watts

• E = ∫ P dt = 50 Joules (en cada segundo)

– Si multiplexo en el tiempo la señal de “activación” del horno con otras 4, entonces ahora la función potencia tiene un valor P durante 200 ms y 0 durante 800 ms.

– Para que la integral siga valiendo lo mismo, entonces debe ser P = 250 W, lo que significa un valor 5 veces mas alto de corriente, I = 50 A.



• Esto es efectivamente equivalente y funciona,

porque lo que importa es la integral en el

tiempo y no el valor instantáneo de la señal de

salida.

• Y esto es así en los fenómenos físicos que

impliquen capacidad de acumulación por parte

de los elementos intervinientes.



• En el caso de lámparas y/o LEDs el fenómeno que se utiliza es similar, basado en la cracterística de persistencia del ojo humano.

• El ojo humano no es capaz de seguir el parpadeo de una fuente de luz que destelle a más de 20 y tantas veces por segundo.

• Esta característica es la que permite, entre otras cosas, la técnica del cine.


• En algunos casos se utiliza la organización

matricial de las salidas, típicamente junto a la

técnica de multiplexado en el tiempo.

• Un ejemplo clásico es el de los displays de 7

segmentos, que se manejan con 7 salidas para

los segmentos y M salidas de activación, una

por cada display. – usa el hecho que los display son un conjunto de

LEDs con cátodo común.


• En el caso de la organización matricial vamos a

requerir 10 puertos en el ejemplo.

Mic

roco

ntro

lad

or

PS1PS0

PS2

PS7

PS3

PS8

PS9

PS4PS5PS6


• Un ejemplo más “radical” de organización

matricial y multiplexado en el tiempo es el que

utilizan los letreros en base a LEDs (usados en

aplicaciones de anuncios, por ej. en algunas

líneas de transporte colectivo).

• En este caso se codifican las columnas de LED

(se activa una por vez).– Al igual que en el caso anterior no se muestran las

resistencias limitadoras de corriente


Mic

roco

ntro

lad

or

PS1PS0

PS2

PS8

PS3

PS9

PS10

PS4PS5PS6PS7

PS11PS12PS13PS14PS15

De

codi

fica

dor


• En el caso de utilizar manejo del ciclo de

trabajo se deben cuidar los valores máximos

de corriente que acepten los dispositivos

involucrados.

• Si bien en materia de disipación de calor no

hay cambio, el valor de pico de corriente es

mucho más alto, lo que puede no ser

soportado por los dispositivos.


• En el caso particular de LEDs ó lámparas

también hay que cuidar que la frecuencia de

muestreo sea superior a 25 Hz, de forma de

utilizar la persistencia del ojo.

• En términos generales la frecuencia de

muestreo debe ser coherente con las

constantes de tiempo de los sistemas

involucrados.

Resumen (1/1)

• Lo mismo que se ha analizado para los puertos

que actúan vale para los de salida.

• Las técnicas para su optimización son similares,

aunque su aplicación es más restrictiva.

• El muestreo con compensación del ciclo de

trabajo es una técnica muy utilizada que se

basa en la existencia de “inercia” en la

naturaleza, incluyendo el ojo humano.

Modulación Ancho de Pulso• Introducción a PWM

• Implementación Hardware

• Implementación Software

• Aplicaciones PWM– transmisión de información

– control de potencia

Introducción a PWM (1/5)

• La Modulación por Ancho de Pulso (PWM =

Pulse Width Modulation) es una técnica de

modulación que utiliza la modificación del

ciclo de trabajo de una onda rectangular.

• Esa alteración del ciclo de trabajo resulta en

la modificación del valor medio de la onda, en

forma proporcional a ese cambio.


t

V

00 TαT


• El valor medio de la señal es:

dada la forma de la onda:

1

0

( )T

Ts s t dt= ∫

1s TV V

Tα α = =


• Es decir el valor medio de la señal es

proporcional a la relación on-off de su ciclo

de trabajo (el “ancho” del pulso).

• Esta propiedad me permite, entre otras

cosas, codificar información en ese ancho.


• Existen tres tipos de PWM:

– Centrada: el pulso está centrado en la ventana de

tiempo correspondiente a un ciclo de la onda.

– Flanco Inicial: el pulso comienza junto con la

ventana de tiempo correspondiente al ciclo.

– Flanco Final: el pulso termina junto con la ventana

de tiempo correspondiente al ciclo.

Implementación Hardware (1/2)

• Es muy común que los microcontroladores dispongan de circuitos “timer” programables.

• Estos timers muchas veces permiten ser configurados como generadores de PWM.

• Para ello se le configuran los parámetros:

– período

– relación on/off

Implementación Hardware (2/2)

• Una forma de utilizarlos es programandolos

para que generen una interrupción cada vez

que lleguen al período.

• En la rutina de atención se procede a

escribirles un nuevo valor de relación on/off,

generando así la variación en el ancho del

pulso que se desee.

Implementación Software (1/3)

• Cuando no se dispone de un timer con PWM se puede recurrir a técnicas de software, ya sea “puras” o con el soporte de un “timer” común (sin PWM).

• Sin “timer”aux = in(SALIDA);

out(SALIDA, aux | 1);

ancho = (valor / VALOR_MAX) * T;

delay (ancho);

out(SALIDA, aux & 0xFE);

delay (T - ancho);


• Con “timer” en Programa Principalvoid interrupt timer() {

tics++;

}

tics_ancho = (valor / VALOR_MAX) * (T / Ptimer);

aux = in(SALIDA);

out(SALIDA, aux | 1);

tics = 0;

while (tics < tics_ancho);

out(SALIDA, aux & 0xFE);

while (tics < (T / Ptimer);


• Con “timer” en Rutina Interrupciónvoid interrupt timer() {

if (tics == 0) { aux = in(SALIDA);out(SALIDA, aux | 1);

}tics++;if (tics == (valor / VALOR_MAX) * (T / Ptimer)){

aux = in(SALIDA);out(SALIDA, aux & 0xFE);

}if (tics > (T / Ptimer))

tics = 0;}

Aplicaciones PWM (1/1)

• La técnica de modulación por ancho de pulso se aplica en diversas áreas.

• Si bien por ser una técnica de modulación se la puede utilizar para transmitir información, sus aplicaciones más habituales están en el campo de la electrónica de control, aplicada típicamente a motores y otro tipo de dispositivos que puedan ser controlados variando el valor medio de una magnitud (ej: la corriente o la diferencia de potencial).

Aplicaciones PWM

Transmisión de Información (1/3)

• Esta aplicación es la “directa” asociada al

concepto de modulación.

• La forma de onda transporta en sí misma

información codificada en el ancho del pulso.

• La forma de codificarla es la vista para generar

el pulso del ancho requerido (en función del

“valor” a codificar).

Aplicaciones PWM


• La decodificación requiere determinar el

comienzo del pulso y calcular el ancho relativo

del pulso respecto al período de la onda

rectangular original.

• Una forma sencilla de hacerlo es alimentar la

señal a decodificar a un puerto de entrada que,

además, genere una interrupción por flanco

ascendente.

Aplicaciones PWM


void interrupt senial() {tics = 0;termino_pulso = FALSE;

}void interrupt timer() {

if (((in(ENTRADA) & 1) == 0) && (!termino_pulso)) {valor = VALOR_MAX * (tics / (T / Ptimer));termino_pulso = TRUE;

}}

Aplicaciones PWM

Control de Potencia (1/5)

• En este caso se utiliza la proporcionalidad del

valor medio de la señal al ancho del pulso, para

controlar la potencia que se le aplica a un

dispositivo.

• La forma mas sencilla de pensar esto es

suponer que con la señal atacamos una “llave

electrónica” (ej. un transistor) para permitir el

pasaje de corriente solo durante el pulso.

Aplicaciones PWM


• Esto generará que la reacción del dispositivo sea proporcional a la energía que está recibiendo y por tanto adapte su comportamiento a la misma.

• Ejemplos:– un calentador generará más ó menos calor

– un LED brillará más ó menos

– un motor girará más ó menos rápido (aplica a determinados tipos de motores)

Aplicaciones PWM


• Para que esto sea efectivamente así se debe cumplir que la frecuencia de trabajo del PWM sea convenientemente alta.

• La mayoría de los sistemas físicos se comportan como un “pasabajos”, reaccionando al valor medio de la señal y no siguiendo los cambios instantáneos que se produzcan.

• La frecuencia de trabajo debe ser superior a la “frecuencia de corte” equivalente.

Aplicaciones PWM


• En aplicaciones de precisión se debe tener presente que las curvas de comportamiento de los dispositivos muchas veces no son lineales.

• Ejemplo:– la iluminación de un LED no es siempre proporcional

a la corriente que lo circula, ya que su curva de respuesta no es una recta perfecta.

• Por esto si se requiere precisión se deben implementar factores de corrección.

Aplicaciones PWM


• Los factores de corrección muchas veces son formulas en función del ancho relativo del pulso (α), del estilo:

f = cos(α . π/4)• Estas funciones se implementan como

tablas estáticas numéricas para no despediciar preciosos recursos de CPU haciendo el cálculo cada vez.

Resumen (1/1)

• La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es

una técnica muy utilizada a nivel de

microcontroladores.

• Permite tanto transmitir información (en

formato “digital”) como realizar el control de la

potencia aplicada a dispositivos que acepten

“filtrar” los cambios rápidos y reaccionen sólo

siguiendo los valores medio (de potencia,

corriente, voltaje, etc).

Preguntas

Documents

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