Curso de Robótica Móvil con Arduino y Arduino...CRoMA3D 2016 E.T.S.I.I. Ciudad Real UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino y Arduino • Andrés S. Vázquez • Francisco Ramos

CRoMA 2010 por Francisco Ramos y Andrés S. VázquezCRoMA3D 2016 E.T.S.I.I. Ciudad Real UCLM

Curso de Robótica Móvil

con Arduino y Arduino

• Andrés S. Vázquez

• Francisco Ramos

• Raúl Fernández


El cerebro del robot

Sesión 2 (Teoría)


Parte 1 Parte 2


Parte 1. El Micro

(cerebro) del Robot


Índice Parte 1

1. Definición de microcontroladores

2. Microprocesadores

3. Memorias

4. Periféricos

5. Microcontroladores

6. El (micro)cerebro de nuestro robot


Definición Microcontrolador

• Integrado que incluye un microprocesador,

memoria (de programa y datos) y unidades de

entrada/salida (puertos paralelo,

temporizadores, módulos CCP, conversores

A/D, puertos serie, etc)

MICROCONTROLADOR

=

MICROPROCESADOR + MEMORIA + PERIFÉRICOS

1. Definición de

mcontroladores

2. Mprocesadores

3. Memorias

4. Periféricos

5. Mcontroladores

6. El cerebro de

nuestro robot

7. Programación

mcontroladores



• Ejemplo

– CPU.

– Memoria RAM de datos.

– Memoria ROM/UVPROM/OTPROM de programa.

– Memoria EEPROM de datos.

– Puertos de entrada-salida.

– Temporizadores/contadores.

– Sistemas de interrupción.

– Módulos auxiliares:

• Convertidores A/D.

• USART.

• Etc Display

Drivers

D / AA / D

FLASH

USARTSPII2C

CAP

COMP

PWM

EEPROM

PowerDrivers

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mcontroladores

2. Mprocesadores

3. Memorias

4. Periféricos

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7. Programación

mcontroladores


MICROCONTROLADOR

=

MICROPROCESADOR + MEMORIA +PERIFÉRICOS


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7. Programación

mcontroladores


Microprocesadores

• Es el componente electrónico (circuito

integrado) encargado de la interpretación,

generación y ejecución de programas o

secuencia de ordenes, operando con los

datos que recibe la memoria, los dispositivo

de entrada/salida y periféricos

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3. Memorias

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7. Programación

mcontroladores


Microprocesadores

• La arquitectura de un procesador se clasifica

según que características tenga.

Arquitecturas según

acceso a

datos/memoria

Arquitecturas según

juego de

instrucciones

• Von Neumann

• Harvard

• CISC

• RISC

• SISC

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7. Programación

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Arquitectura Von Neumann

• Un único bus de datos para instrucciones y datos.

• Las instrucciones del programa y los datos seguardan conjuntamente en una memoria común.

• Cuando la CPU se dirige a la memoria principal,primero accede a la instrucción y después a losdatos necesarios para ejecutarla, esto retarda elfuncionamiento. (Máquina secuencial)

• Ejecuta solo una operación a la vez: Lenta

• Generalmente se combina con juego deinstrucciones tipo CISC

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Arquitectura Harvard

• El bus de datos y el bus de instrucción están separados, haciéndolos totalmente independientes

• Acceso en paralelo:– Cuando se está leyendo una instrucción, la instrucción

actual está utilizando el bus de datos. Una vez finalizada la instrucción actual, la siguiente ya está disponible en la CPU.

• Permite una ejecución más rápida.

• Pueden direccionar altas cantidades de memoria

• Se combinan con juego de instrucciones RISC

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Microprocesadores

Memoria

Principal CPU

Instrucciones

Datos

Unidad

De

Control

Unidad

Operativa

Bus Control

Bus

Direcciones

Bus Datos e

Instrucciones

VON-NEUMANN

Memoria

InstruccCPU

I

N

S

T

R

U

C

C

I

O

N

E

S

Unidad

De

Control

Unidad

Operativa

Bus Control

Bus

Direcciones

Bus

Instrucciones

D

A

T

O

S

Bus Control

Bus

Direcciones

Bus Datos

Memoria

Datos

HARVARD

C P U

8 = 8

Program& DataMemory

DataMemory

C P U

816

ProgramMemory

12141624

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Microprocesadores

• Ejemplos arquitectura

Harvard Von Neumann

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7. Programación

mcontroladores


Microprocesadores

¿Cuál es la arquitectura que utilizan la mayoría de

computadores?

¿Cuál es mejor cuando la frecuencia de lectura de

instrucciones y de datos es aproximadamente la

misma?

Esta arquitectura suele utilizarse en DSPs, o

procesador de señal digital, y microcontroladores

VON NEUMANN

HARVARD

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3. Memorias

4. Periféricos

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mcontroladores

http://es.wikipedia.org/wiki/Procesadores_de_se%C3%B1al_digital


Clasificación según el Juego de Instrucciones

• Complex Instruction Set Computer

– Set de instrucciones grande

– Instrucciones son muy potentes. En algunos casos equivalen a muchas instrucciones simples.

– Reduce el tamaño del código de programa

• Reduced Instruction Set Computer

– Pocas instrucciones

• El controlador es más sencillo y el chip es más

pequeño.

– Tiene un consumo menor.

– Mayor tamaño del código de programa

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MICROCONTROLADOR

=

MICROPROCESADOR + MEMORIA +PERIFÉRICOS

Memorias

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Concepto

• Una memoria es un dispositivo capaz de guardar el estado de un bit durante cierto tiempo.

• Posee casillas o localidades cada una con la capacidad de almacenar un dato generalmente de tamaño byte (8 bits).

• Tiene un bus de direcciones para identificar cada una de las localidades.

• Tiene un bus de datos por donde entran y salen datos a cada una de las casillas o localidades de la memoria.

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• Registros (memoria de corto plazo):– Pequeña (relativamente)

– Almacenamiento temporario p/CPU

• Memoria de datos– Relativamente Grande

– Almacena datos mientras el MCU funciona

• Memoria de programa– Relativamente Grande

– De preferencia, mantiene el programa incluso con el MCU apagado.

Uso

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mcontroladores


• CAPACITIVO: Un capacitor se mantiene cargado y

representa un 1 lógico, si se descarga represente

un 0 lógico.

• FUSIBLES: Un filamento delgado de semiconductor

que se quema o se deja completo para representar

un 1 o un 0

• ORIENTACIÓN MAGNÉTICA: La orientación de un

dispositivo magnético representa un 1 o un 0 lógico.

Principios de funcionamiento

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7. Programación

mcontroladores


Tipos de memorias

RAM

• Random Access Memory• Almacenamiento temporal de datos

• Pierde la información capturada cuando se le

desconecta alimentación

ROM

• Read Only Memory• Memoria que conserva el contenido aun cuando

se desconecta

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Tipos de memorias ROM

• EPROM (Erasable-Programable Read Only Memory)– Funciona con el principio de fusibles

– Puede borrarse mediante luz ultravioleta

– Se reprograma eléctricamente

• EEPROM (Electrically Erasable-Programable Read Only Memory)– Funciona con el principio de fusibles

– Puede borrarse con impulsos eléctricos controlados

– Se reprograma eléctricamente

• Flash– Funciona igual que la EEPROM pero a una

velocidad de operación y programación mayor.

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• S/DRAM: sin limite de escrituras

• EEPROM: 100.000 ciclos de borrado

• Flash: 10.000 ciclos de borrado

Memorias

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MICROCONTROLADOR

=

MICROPROCESADOR + MEMORIA +

PERIFÉRICOS

Periféricos

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Periféricos

• PUERTOS (E/S)

– PARALELO (PINES E/S DIGITALES )

(para control otros periféricos)

– SERIE (COMUNICACIONES)

• CONVERSORES A/D

• TIMERS

• PWM

• ETC...

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Puertos (E/S)

• Ventanas por las cuales el procesador se comunica con los periféricos.

• Tienen un canal de datos por el cual circula la información

• El procesador genera las señales de control que permiten habilitar a cada uno de sus periféricos

• Cuando un periférico es habilitado, este pone información en el bus de datos. Esta información es leida por el puerto correspondiente.

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Puertos (E/S)

– Salidas en paralelo.

• Son las más comunes y se suelen utilizar para controlar relés, led,

displays, LCD, transistores, etc.

– Se caracterizan por una corriente máxima individual y una máxima

común.

– Salidas de Potencia.

• Montaje Darlington.(transistores)

• Control de relé.

• Control de triacs.(transistores-interruptor alterna)

– Entradas en paralelo.

• Son las comunes y se utilizan para lectura de pulsadores, teclados, en

general para leer el nivel lógico de la entrada. Pueden estas

optoaisladas.

– Entradas/Salidas.

– Permiten cambiar la patilla como salida o entrada en cada instante.

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Puertos (E/S)

Comunicación serie (I)• Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

– Elemento HW que traduce datos de paralelo a serie

• Utiliza un registro de desplazamiento para la traducción

– Usado junto con otro estándar de comunicación (i.e. RS-232)

– La comunicación puede ser Full o Half Duplex

• Líneas independientes para recepción/transmisión

– No precisa llevar señal de reloj (configuración receptor/transmisor)

• Formato de los datos

• Velocidad de transmisión (típica 9600 baudios, 104us)

– Una transmisión asíncrona consta de

• 1 bit de comienzo (space)

• De 5 a 8 bits de datos

• 1 bit de paridad (opcional)

• 1 o 2 bits de parada

• USART (Unidad Universal de Transmisión Recepción Síncrona y Asíncrona)

es un adaptador serie para comunicaciones asíncronas o síncronas.

– Los dispositivos que usan USART suelen ser más rápidos (hasta 16 veces) que un

adaptador UART.

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Puertos (E/S)

Comunicación serie (II)

• RS232 - Recommended Standard 232 (1962)– Norma para el intercambio serie de datos

• Entre un DTE (equipo terminal) y un DCE (equipo de comunicación)

• Entre dos DTEs (Conexión en módem nulo)

– El estándar completo tiene 25 pines (DB-25)

• Sólo se usan 9 (DE-9)

– Está desapareciendo porque se consideraheredado y obsoleto

• Lento comparado con buses actuales

– Aún se encuentran en sistemasindustriales y de consumo

– Máximo 20Kbps según norma

Señal DB-25DE-

9

Common Ground G 7 5

Transmitted Data TD 2 3

Received Data RD 3 2

Data Terminal Ready DTR 20 4

Data Set Ready DSR 6 6

Request To Send RTS 4 7

Clear To Send CTS 5 8

Carrier Detect DCD 8 1

Ring Indicator RI 22 9

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http://es.wikipedia.org/wiki/DB-25

http://es.wikipedia.org/wiki/DE-9


Puertos

• Comunicación serie (III)

• USB- Universal Serie Bus (1996)

– Consorcio de empresas (Intel, IBM, Microsoft, Compaq...)

– Mejorar plug & play Gran popularidad

– Permite conexión “en caliente”

– Puede servir como fuente de alimentación

– Velocidades

• Baja (1.0) Hasta 1,5 Mbps. Ejemplo: teclado, ratón...

• Completa (1.1) Hasta 12 Mbps.

• Alta (2.0) Hasta 480 Mbps (Generalmente de 125 Mbps). La más

habitual

• Super alta (3.0) Hasta 4,8 Gbps.

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Puertos

Comunicación serie (IV)

• SPI- Serial Peripheral Interface– Protocolo de comunicación síncrona

entre dos dispositivos digitales

• Punto a punto

• Múltiples esclavos

– Independientes

– Daisy Chain

– Cuatro líneas de señal

• SCLK: Señal de sincronismo

• MOSI: Master Out-Slave In

• MISO: Master In-Slave Out

• SS: Señal de selección de esclavo

– Full-Duplex

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Puertos

Comunicación serie (V)

• I2C Inter-Integrated Circuit

– Protocolo multi-maestro

– El dispositivo que inicia una transmisión es el maestro

– Utiliza 2 líneas de señal bidireccionales

• SDA: Serial Data

• SCL: Serial Clock

– Half-Duplex

– Se puede colocar cualquier número de esclavos y maestros

– Se comunican mediante un protocolo que define:

• Direcciones de esclavos (7 bits). Única para cada dispositivo

• Datos divididos en bytes (8 bits)

• Bits de control para inicio, parada, dirección y ack

– Tasa de transferencia

• 100 kbps (standard), 400 kbps (fast) o 3,4 Mbps (high-speed)

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Puertos

• Comunicación serie (V)

Ethernet (1973)

– Estándar de redes de computadoras de área local (LAN)

– IEEE 802.3

Controlled Area Network (CAN Bus) (1986)

– Estándar de la industria de la automoción

– Entornos distribuidos

System Management Bus (SMBus)

– Derivado del I2C

– Más lento

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Puertos

• Infrarrojos

-Un led emisor de banda infrarroja envía tramas de

luz a 38.5kHz

- El receptor esta a las escucha en esa frecuencia,

teniendo como salida un tren de pulsos

- En función del protocolo, ese tren se decodifica

para obtener una palabra en binario

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Puertos

• WiFi

– Estándar IEEE 802.11.x

• Redes de Área Local Inalámbricas (WLAN)

• Conectividad punto a punto

• Wide Area Network (WAN)

– Ancho de banda

• De 11 a 300 Mbps

• Bluetooth

– Especificación industrial de WPAN

(Redes de Área Personal Inalámbrica)

– Bajos consumo, cobertura y coste

– Ancho de banda

• De 1 a 24 Mbps

Clase

Potencia

máxima

permitida

(mW)

Potencia

máxima

permitida

(dBm)

Rango

Clase

1100 mW 20 dBm

~100

metros

Clase

22.5 mW 4 dBm

~25

metros

Clase

31 mW 0 dBm ~1 metro

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http://es.wikipedia.org/wiki/MW

http://es.wikipedia.org/wiki/DBm


Puertos

• ZIGBEE

– Protocolos de alto nivel de comunicación

inalámbrica

– Radiodifusión digital de bajo consumo

– Estándar IEEE 802.15.4 de WPAN

– Utilización

• Comunicaciones seguras

• Baja tasa de envío de datos

• Maximización de la vida útil de las baterías

• Ejemplo: domótica

– Topología de red en malla (tb estrella y árbol)

• 65535 nodos distribuidos en subredes de 255

– Tasa de transferencia

• Hasta 250 kbps

– Baratos

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mcontroladores


Conversores

• Conversor Analógico Digital (A/D).– Convierte la tensión analógica a su valor digital.

• Pueden ser externos o internos al micro.

• Existen, en general, tres tipos integrados:

– Aproximaciones sucesivas (común en micro).

– Delta-Sigma (común en DSP).

– Flash (rápido pero menos habitual).

• Conversores D/A.• Obtienen una tensión analógica a partir de un valor digital.

• Conversor D/A con Modulador de ancho de Pulso (PWM).

• Otros Dispositivos.• Contador de pulsos: cada pulso incrementa un contador.

• Entrada de Captura: sirve para medir intervalos de tiempo entre

eventos.

• Comparadores analógicos.

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Interrupciones y Polling

– Transferencia de E/S por consulta (Polling)• El polling es una técnica software en la que el microcontrolador pregunta

constantemente al periférico si necesita ser atendido.

– Interrupciones• Cuando los periféricos necesitan ser atendidos por el microcontrolador

se lo comunican; de esta forma el micro puede atender a un programa

principal (a diferencia del polling).

• Es una técnica más rápida en atender al periférico que el polling.

• El micro recibe la interrupción, identifica quién la ha provocado, ejecuta

la rutina para atenderla y vuelve al programa principal.

• Disparo de interrupciones:

– Por flanco (de subida o bajada).

– Por nivel.

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Reset y Reloj

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mcontroladores

– Inicialización o reset

• La mayoría de los micros disponen de un sistema de

inicialización cuando se conectan a alimentación.

• Poseen, además, de una entrada de reset sensible a nivel

– Reloj• Todos los micros tienen integrado un oscilador y sólo

necesitan un elemento externo para fijar la frecuencia

dentro del margen indicado.

• Puede ser interno o externo con ayuda de un cristal de

cuarzo, resonador cerámico o una red RC.


Microcontroladores

• Así que todo esto era un micro

controlador1. Definición de

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7. Programación

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Carácteristicas especiales

– Watchdog (Perro Guardian).• Un temporización que permite la recuperación del sistema ante un

bloqueo.

• Si el programa entra en bucle infinito o si deja de funcionar el watchdog

provoca un reset tras un tiempo predeterminado.

– Monitor de reloj (Clock Monitor).• Permite apagar el micro si la señal de reloj varia.

– Cargador del programa residente.• Al inicializar, el micro carga automáticamente el programa a ejecutar por

un puerto desde un lugar remoto (o desde el mismo micro).

– Programa Monitor.• Un programa instalado en el micro que permite desarrollos básicos y

depuración de programas.

• Pueden comunicarse con un PC para ser ejecutado desde el mismo.

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Diseño

Diseño discreto.

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Diseño

Diseño Integrado.

ATmega16 (atmel)

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Familias

• Tipos de microcontroladores

– Según el ancho de palabra:

• Los hay de 4, 8, 16, y 32 bits

– Existen Microcontroladores/Procesadores especializados para:

• Comunicaciones, Manejo del teclado, Procesamiento de la señal, Proceso

vídeo, Etc

• Fabricantes de microcontroladores– INTEL 8048-8051-80C196-80386

– MOTOROLA 6805-68HC11-68HC12

– HITACHI HD64180

– PHILIPS 8051

– SGS-THOMSON ST-62XX

– NATIONAL SMC. COP400-COP800

– ZILOG Z8, Z86XX

– TEXAS INST. TMS370

– TOSHIBA 68HC11

– MICROCHIP PIC

–ATMEL ATMEGA168…

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Familias

• Atmel /AVR

– Concebidos por dos estudiantes del instituto de tecnología

noruego NTH

– Originalmente conocido como microRisc

– AVR no es un acrónimo pero podría significar Advance

Virtual RISC

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El cerebro de nuesto robot:

ATMega328p

• Low-Power 8-bit AVR Microcontroller

• Modified Harvard Architecture

• 32 8-bit general-purpose registers

• 131 Instructions, Multi-cycle Implementation

– Most are single-cycle

– 2-cycle multiply, 2-cycle memory access

– Thus up to 1MIPS/MHz

• 20MHz, up to 20MIPS

• 32KB self-programmable Flash

• 1KB EEPROM

• 2KB SRAM

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Puertos (E/S)

• 6 PWM Shared Input/Outputs (Analog)

• 8 digital input/outputs

• SPI-serial, 2-wire serial, ISP, others

– Monitoring, debugging, programming, power

• USART serial interface

– (interfaces with USB on Arduino)

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mcontroladores


Otras características

• Registers for serial access

• Interrupts

• External Interrupts

• Power Management

• Timers

• Analog Comparators

• Etc

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mcontroladores


ATMega328

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mcontroladores


ATMega 328

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5. Mcontroladores

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Parte 2. Amplicación

del Micro(cerebro) del

Robot


¿Pero entonces

nuestro robot tiene

este cerebro?

Low-Power 8-bit AVR

Microcontroller

Modified Harvard

Architecture

32 8-bit general-purpose

registers

131 Instructions, Multi-

cycle Implementation

20MHz, up to 20MIPS

32KB self-programmable

Flash

1KB EEPROM

2KB SRAM


Y yo quería algo tan

listo como este…!


Microcomputadores

• Placas basadas en microprocesadores

avanzados

• Arquitecturas RISC Avanzadas

• Utilizados en Smartphones y Tablets

• Incorporan S.O. embebidos como Linux

(o Android)

• Ejemplo: ARM Cortex

• Antiguamente conocidos

como ADVANCE RISC MACHINE

• RISC de 32 bits.

• Desarrollado por ARM Limited


55

Artik 1

Artik 5

Espruino

Particle

Bean +

MicroView

Piccolino

Wino

The Neutrino

MetaWearUdoo Neo

Chip

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Curso de Robótica Móvil con Arduino y Arduino...CRoMA3D 2016 E.T.S.I.I. Ciudad Real UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino y Arduino • Andrés S. Vázquez • Francisco Ramos