Comunicación Serial y Construcción del Cable Null
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1. Lal Lal a TTL inverted Open Drain a a ON 24 00 12 13 14 ON1200 Open Source ON 96 00 alefli gt a ee E Symbol T2400 T1200 T9600 T300 12400 1200 N9600 1300 ONZ400_ ON1200_ ON9600_ EA ON 300 CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Herrera Lozada jlozada ipn mx Mode p ej T2400 para indicar el baudaje est definidos en el archivo MODEDEFS BAS que se incluye utilizando la linea Include modedefs bas La sintaxis de la instrucci n para la salida serial SEROUT es SEROUT Pin Mode Item Item Env a los datos de manera serial a trav s del pin indicado utilizando el mismo formato est ndar de la instrucci n SERIN Para utilizar el protocolo RS 232 completo con la interfaz USART no s lo tres hilos sino todos los del conector es posible utilizar HSERIN y HSEROUT Es este caso ser necesario definir los par metros de la comunicaci n y construir el cable adecuado 3 APLICACI N CON COMUNICACI N COMPLETA En el circuito de la figura 2 se puede apreciar el microcontrolador PIC16F628A conectado a un motor CD El bloque denominado TERMINAL en la misma figura es la interfaz de usuario que permite enviar datos hacia el microcontrolador y visualizar los datos recibidos Esta terminal puede ser de propietario o es posible dise ar una en Visual Basic en C o en alg n otro lenguaje que conceda acceso hacia el puerto serie En este trabajo se uti2. UNIDAD B SICA DE COMUNICACI N SERIAL EN UN MICROCONTROLADOR Juan Carlos Herrera Lozada Profesor Investigador del CIDETEC IPN lan Ilizaliturri Flores Alumno de la Maestr a en Tecnolog a de C mputo del CIDETEC IPN E mails jerlsWipn mx ferroian dhotmail com RESUMEN El presente art culo infiere el dise o de una unidad de comunicaci n serial implementada en un microcontrolador La funcionalidad de este prototipo permite enviar y recibir datos de cualquier sistema de c mputo que soporte el est ndar RS 232 ste es gen rico pudiendo adaptarse a cualquier aplicaci n sin cambios dr sticos Este trabajo expone los resultados preliminares del proyecto Sistemas de Control para Motores Supervisados por Computadoras de Bolsillo que se desarrolla actualmente en el CIDETEC IPN 1 INTRODUCCI N Los microcontroladores actuales por lo general cuenta con un modulo funcional de comunicaci n serie USART SCI Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter Serial Comunication Interface o en otro caso ste puede ser implementado en la mayoria de sus funciones mediante software Este m dulo es ampliamente utilizado en sistemas de c mputo en general por lo que el microcontrolador visto como un core o unidad b sica puede establecer comunicaci n de manera simple con el procesador del equipo y acceder a los recursos del sistema completo El medio de transmisi n para la interfaz USART requiere cuando menos de dos v as por l
3. cas mec nicas el ctricas y de un protocolo orientado al enlace fisico punto a punto Las caracter sticas el ctricas ofrecen una alta inmunidad a ruidos y distancia de enlace de hasta 16 metros dependiendo de la velocidad de transmisi n utilizada Los niveles de voltajes aplicado para el O l gico est n en el rango de 3V a 15V y para el 1 l gico se tiene un rango de 3V a 15V entre 3V a 3V se tiene una zona de transici n Este est ndar cuenta con dos tipos de conectores fisicos el conector DB9 y el conector DB25 La tabla 1 muestra la configuraci n fisica de los pines en ambos casos Tabla 1 Pines de los conectores DB9 y DB25 FP Pireecton f posenpeln DB9 DB25 1 8 CD Entrada Detecci n de portadora 242 3 RxD Entrada Recepci n de datos 231 2 TD Salida Transmisi n de datos 5 7 GD Masadelsistmma__ 6 6 DSR Entrada Setde datos preparados 8 5 CTS Entrada Listoparaenviar 9 22 RI Entrada Indicador de llamada 2 DISE O DEL PROTOTIPO El core dise ado est dispuesto como enlace entre el sistema de c mputo y una aplicaci n externa monitoreo de se ales adquisici n de datos sistemas de control etc microcontrolador intercambia informaci n con el equipo de c mputo v a el puerto serie Por ejemplo una PC com n utiliza circuitos integrados UART en modelos como 8250 16450 16550 16650 16750 cada uno de estos con sus variantes en m xi
4. el lado del RS 232 los cero volts del microcontrolador son tomados como 1 l gico y los 5 volts equivalen a 0 l gico El no adecuar el acoplamiento de voltajes aumenta los errores y reduce la velocidad en la comunicaci n La comunicaci n en su totalidad realizada por software por ejemplo limita la verificaci n de error y la p rdida de datos a una velocidad menor que con m dulos dedicados TERMINAL GPS 05C1 GP4 05C2 GP3 MCLR BUZ10 Figura 3 Control Simple de un Motor a CD v a el puerto serie PICI2C508A4 Include modedefs bas DEVICE MCLR_OFF INTRC_OSC WDT_OFF PROTECT_OFF DECLARACI N DE VARIABLES RESPUESTA var byte VELOCIDAD VAR BYTE CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Herrera Lozada JlozadaO1pn mx TIEMPO VAR BYTE PROGRAMA PRINCIPAL VELOCIDAD 0 SEROUT GP10 0 N2400 CONTROL DE VELOCIDAD PARA MOTOR DC 10 13 INICIO SEROUT GPIO 0 N2400 DEME LA VELOCIDAD 1 2 3 PARO POR TIEMPO 10 13 SERIN GP10 1 N2400 RESPUESTA Espera para respuesta SEROUT GPI0O 0 N2400 RESPUESTA 10 13 SELECT CASE RESPUESTA CASE 49 Velocidad 1 VELOCIDAD 85 case 50 Velocidad 2 VELOCIDAD 179 case 51 Velocidad total VELOCIDAD 255 end select FOR TIEMPO 1 TO 5 Micro 4MHz 5ms 255 5 6 seg PWM GPIO 5 VELOCIDAD 255 NEXT TIEMPO PWM GPIO 5 0 1 SEROUT GPIO 0 N2400 FIN DE PWM 10 13 GOTO INICIO END 5 CONCLUSIONES La transmisi n serial resulta f cil de implemen
5. ertos E S dos comparadores anal gicos USART y m dulo PWM de 10bits El m dulo USART incluido tiene una memoria FIFO BRG Baud Rate Generador y control de paridad Se recomienda acceder a la hoja de especificaciones de este microcontrolador para profundizar en detalles m s consistentes 2 2 1 PROGRAMACI N CON PICBASIC PRO Para la programaci n del microcontrolador se utiliza PICBASIC PRO que es un lenguaje de alto nivel que disminuye considerablemente la complejidad y los tiempos de dise o Este lenguaje contiene dos instrucciones b sicas para la comunicaci n serial bajo un protocolo simple SERIN y SEROUT comunicaci n serial asincrona para entrada salida El compilador as como el manual de usuario y algunos tutoriales se puede obtener directamente del sitio web del fabricante http www melabs com pbpdemo htm La sintaxis de la instrucci n de entrada serial SERIN es la siguiente SERIN Pin Mode Timeout Label Qual Item recibe los datos sobre el pin indicado de acuerdo al pinout del microcontrolador en el formato est ndar asincrono que define utilizar 8 bits de datos sin bit de paridad y un solo bit de paro 8N 1 El modo selecciona la frecuencia de transmisi n y el tipo de la misma de acuerdo a la tabla 2 Tabla 2 Modos de transmisi n aceptados por SERIN y SEROUT Symbol Yalue Baud Rate 2400 1200 96007 O 2400 1200 6007 o 2400 1200 96007 30 2400 1200 26007 300 TTL True
6. l Metrob s y boletos del metro de la Ciudad de M xico BIBLIOGRAF A 1 PIC Microcontroller Project Book John lovine Segunda edici n Mc Graw Hill 2 Jose M Angulo Usategui Microcontroladores PIC primera y segunda parte Tercera edici n Mc Graw Hill 3 Manual de PIC16F628 628A 0648A Microchip Inc 4 Manual de PicBasic Pro Compller MicrioEnginnering Labs Inc 5 http www cidetec ipn mx pofesores jcrls 6 http www todopic com ar pbp_sp CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Herrera Lozada JlozadaO1pn mx
7. lizaron dos terminales serie una para simulaci n contenida en la herramienta software de simulaci n ISIS de Proteus y otra para pruebas fisicas que se descarg de http sites google com site terminalbpp Q1 R1 10M BUZ10 C1 RB7 T108I RB6 T10SO T1CKI RB5 TERMINAL 7 ia RB3 CCP1 RB2 TX CK RB1 RX DT RBO INT RA4TOCKI CMP2 RAS ANS CMP1 RAS MCLR RA2 AN2 VREF RA1 AN1 RAG OSC2ICLKOUT RAD ANO RA7 OSC1 CLKIN PIC16F6284 15 16 Figura 2 Control Simple de un Motor a CD v a el puerto serie PICIOF628A En c digo programado destina tiempo de proceso para establecer par metros iniciales de funcionamiento que se estipulan en correspondencia al manejo de una USART en protocolo completo En este circuito la velocidad de giro y el paro del motor pueden ser realizadas en cualquier momento mediante la terminal Obs rvese que el control del motor se realiza a trav s de la instrucci n HPWM que permite modular el ancho del pulso y obtener un equivalente anal gico en voltaje que permite reducir o aumentar la velocidad del motor El circuito integrado MAX232 permite acoplar los voltajes de la USART y el PIC opci n m s recomendable aunque los microcontroladores de Microchip permiten acoplar los voltajes sin necesidad de un dispositivo adicional Include modedefs bas BITS DE CONFIGURACION DEL MICROCONTROLADOR DEVICE MCLR_OFF INTRC_OSC WDT_OFF CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Her
8. ma velocidad de comunicaci n elementos de almacenamiento control de flujo de datos funcionalidades adicionadas y en el cumplimiento de la norma RS 232C por lo que adecuar los requerimientos de la unidad b sica de comunicaci n serial microcontrolador programado como tal no representa mayor problema 2 1 CONSTRUCCI N DEL CABLE Para la comunicaci n serial simplificada considerando la robustez que pueda presentar el dise o se requiere un cable Null Modem de s lo 3 hilos interconectando las se ales sobrantes en el mismo conector DB9 tal y como se aprecia en la figura 1 Este procedimiento emula el protocolo CTS RTS y DSR DTR por hardware para controlar el flujo de datos se recurre al protocolo software XON XOFF CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Herrera Lozada JlozadaO1pn mx Figura 1 Cable Null Modem de 3 hilos 2 2 UNIDAD SERIAL IMPLEMENTADA EN MICROCONTROLADOR Es posible utilizar cualquier microcontrolador considerando las posibles excepciones que se comentar n posteriormente en este mismo art culo Para unificar la metodolog a se utiliz primeramente el microcontrolador PIC16F628A de Microchip debido a que es un dispositivo de bajo coste y que se consigue facilmente en el mercado nacional este circuito integrado dispone entre otras bondades de 2048x14 bits en memoria de c digo 224x8 bits en memoria de datos 128x8 bits en memoria EEPROM una frecuencia de trabajo m xima de 20MHz 16 pu
9. mal con el que se programar el microcontrolador ste ltimo implica m s uso de la memoria del dispositivo comparado con un dise o total en ensamblador A n asi el lenguaje de alto nivel resulta un recurso ampliamente socorrido por estudiantes y dise adores profesionales Con respecto al proyecto que dio pie a este art culo Sistemas de Control para Motores Supervisados por Computadoras de Bolsillo cabe mencionar que la portabilidad y el poder de procesamiento de un PDA Asistente Personal Digital permiten concebir a estos dispositivos como sistemas altamente rentables para analizar datos en sitio sin la necesidad de otros aparatos de monitoreo y medici n La propuesta es programar bajo Microsoft Windows CE actualmente Windows Mobile para estudiar la factibilidad de la implementaci n de sistemas de control idealmente de motores a CD motores a pasos y servomotores controlados por la Pocket PC v a el puerto serie y protocolo RS 232 Adicionalmente se plantean pruebas utilizando la comunicaci n RF radiofrecuencia y la tendencia actual hacia RFID de identificaci n inal mbrica ambas coinciden en el esquema de transmisi n serial La tecnologia RFID reconoce c digos v lidos a trav s de una se al de radiofrecuencia en un esquema de emisor receptor wireless inal mbrico En la actualidad existen innumerables aplicaciones que van desde sustituir un lector de c digo de barras hasta descontar saldos en cuentas tarjetas de
10. o que la complejidad costos y el uso de pines del microcontrolador se reducen esta interfaz tiene dos modos de comunicaci n asincrona o sincrona La primera es full duplex con una v a RX Recepci n y TX Transmisi n la segunda es half duplex utiliza una v a de CLK reloj y otra de DT Transmisi n de datos con sus configuraciones por dispositivo como maestro o esclavo En los microcontroladores pueden existir otros m dulos de comunicaci n serie como el SPI Serial Peripherial Interface o I2C Inter Integrated Circuit que son de tipo s ncrono y que de momento est n fuera del alcance de este art culo Cuando el m dulo USART s lo contiene o se maneja la comunicaci n en modo asincrono se le denomina UART Universal Asynchronous Recetver Transmitter Para establecer comunicaci n mediante el UART se requiere que los par metros sean los mismos para TX y RX estos par metros son el n mero de bits del dato el n mero de bits de paro stop la velocidad de transmisi n en baudios el control de paridad y los niveles l gicos utilizados La l nea que transmite los datos en serie est inicialmente en estado alto al comenzar la transferencia se env a un bit a 0 l gico bit de inicio Tras l ir n los 8 bits de datos a transmitir en ocasiones son 7 6 5 estos bits est n espaciados con un intervalo temporal fijo y preciso ligado a la velocidad de transmisi n que se est empleando Tras ellos podr a venir
11. o no un bit de paridad que indica si se ha enviado un n mero par o impar de bits con un nivel l gico alto en la palabra al final aparecer un bit a veces un bit y medio dos bits a 1 l gico que ser an los bits de paro lo de medio bit significa que la se al correspondiente en el tiempo a un bit dura la mitad realmente en comunicaciones se utiliza el t rmino baudio para hacer referencia a las velocidades y normalmente un baudio equivale a un bit por segundo La presencia de bits de inicio y parada permite sincronizar la estaci n emisora con la receptora haciendo que los relojes de ambas vayan a la par por eso el tipo de transmisi n es llamada asincrono por paquete y sincrono por bit CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Herrera Lozada JlozadaO1pn mx Existen varios est ndares de comunicaci n serie asincrona que emplean tensiones diferenciadas que son apropiadas para distancias largas entre dispositivos como RS 422 RS 485 u otros que emplean niveles de tensi n para la inmunidad a ruido como RS 232 El UART tiene compatibilidad con este ltimo en su tercera versi n denominada con C 1 2 EST NDAR RS 232C Propuesto por la Asociaci n de Industrias Electr nica EIA realiz ndose posteriormente una versi n internacional por el CCITT Consultative Committee for International Telegraphy and Telephony conocida como V 24 con pocas diferencias entre ambas El est ndar estipula las caracter sti
12. rera Lozada jlozada ipn mx DEVICE LVP_OFF BOD_OFF PWRI_OFF PROTECT_OFF CONFIGURACION DE TERMINALES DEFINE HSER_BAUD 2400 VELOCIDAD DEFINE HSER_SPBRG 25 DEFINE HSER_BITS 8 BITS DE DATOS DECLARACION DE VARIABLES RESPUESTA VAR BYTE PROGRAMA PRINCIPAL HSEROUT CONTROL DE VELOCIDAD PARA MOTOR DC 10 13 INICIO HSEROUT INTRODUZCA OPCI N DE VELOCIDAD 1 2 3 STOP 0 10 13 HSERIN str RESPUESTA 1 A HSEROUT RESPUESTA 10 13 SELECT CASE RESPUESTA CASE 49 Velocidad 1 HPWM 1 855 245 Case 50 Velocidad 2 HPWM 1 170 245 Case 51 Velocidad total HPWM 1 255 245 Case 48 Paro de motor HPWM 1 0 245 end select GOTO INICIO END 4 APLICACI N CON COMUNICACI N SIMPLIFICADA El microcontrolador utilizado en el circuito de la figura 3 es un PIC12C508A que cuenta con 708x12 bits en memoria de c digo 25x8 bits en memoria de datos frecuencia m xima de 4MHz y 6 l neas E S y 8 pins Este dispositivo no tiene m dulos PWM y USART por lo que su funcionamiento debe ser programado en su totalidad y tomando tiempo de procesamiento para su utilizaci n En el caso de la funci n PWM s lo es utilizada para poder procesar la siguiente acci n en la comunicaci n no se utiliz el circuito de acoplamiento de voltajes por lo que el estado de transici n en cero volts o menos en RS 232C es tomado en el microcontrolador como 0 l gico y cualquier voltaje arriba de 5 volts es tomado como 1 l gico d
13. tar adem s de que es segura y de bajo coste En el caso de un microcontrolador como interfaz hardware de intercambio con cualquier sistema de c mputo principalmente PC s y computadoras de bolsillo es viable considerar las propuestas realizadas en este trabajo ya que se adaptan a cualquier aplicaci n similar debido a que la unidad b sica de comunicaci n serie es la misma en todo momento Se mostraron dos aplicaciones que utilizan el core dise ado por un lado un microcontrolador de la gama media con un dispositivo adicional para el acoplamiento de voltajes para la transmisi n por otro un microcontrolador de la gama baja y sin acoplamiento de voltajes con lo que se tiene una referencia mayor para realizar otras aproximaciones ver figura 5 A TN TE O A A SI RN A A A CI y Oia o CN do aE WING DO os z RA7 OSC1 CLKIN RAD ANO Paia RAB OSC2 CLKOUT RATAN1 TE RAZRANZIVREF RAS MCLR RAS ANS CMP1 RAYVTOCKICMPZ RBO INT RBRADT HE RB2TACK F RB3 CCP1 RB4 RBS RB amp TIOSOATICK Faz RB7 T105l Figura 4 Aplicaci n que adquiere datos y los muestra La utilizaci n de lenguaje PICBASIC PRO para la programaci n de microcontroladores facilita en gran medida el dise o aunque no se debe olvidar que al momento de obtener a 6 CIDETEC IPN M xico Revisi n Enero de 2009 Juan Carlos Herrera Lozada jlozada ipn mx trav s del compilador el ensamblador equivalente y posteriormente el archivo hexadeci
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