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2- FUNDAMENTO TEORICO


Se describe los fundamentos teóricos básicos de las herramientas de software y hardware utilizados para la implementación de este proyecto.

2.1 HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA EL DESARROLLO DEL PROYECTO.


Para el desarrollo del Proyecto se utilizara las siguientes herramientas de Software:

AVR Studio 4 de Atmel, Entorno de programación para Microcontroladores Atmel.

Proteus 7.7 SP2, Software para la simulación del proyecto para interactuar el hardware y software de manera virtual.

2.1.1 AVRstudio 4


Existen herramientas que son comunes a todas las familias de los AVRs, entre ellas, se puede mencionar el ambiente de Desarrollo denominado AVR STUDIO, que cuenta con la posibilidad de, no solo programar en assembler, sino de integrar un compilador para C (GNU/GCC).

Ambos son gratuitos y se pueden obtener accediendo al website de ATMEL. La característica principal del AVR STUDIO es su fácil manejo, permite visualizar rápidamente que ocurre con los registros, como también así se pueden modificar. En este ámbito se pueden realizar simulaciones por software como así también un debug utilizando.

AVR Studio apoya al diseñador en el diseño, desarrollo, depuración y parte de la comprobación del proceso.

AVR Studio 4 consiste de muchas ventanas y sub-módulos.


2.1.1.1 Descripción general del IDE en AVRstudio 4


Como se dijo anteriormente, el AVR Studio es un Entorno de Desarrollo Integrado (IDE). Éste tiene una arquitectura modular completamente nueva, que incluso permite interactuar con software de otros fabricantes.

AVR Studio 4 proporciona herramientas para la administración de proyectos, edición de archivo fuente, simulación del chip e interfaz para emulación In-circuit para la poderosa familia RISC de Microcontroladores AVR de 8 bits.

AVR Studio 4 consiste de muchas ventanas y sub-módulos. Cada ventana apoya a las partes del trabajo que se intenta emprender. En la Figura 2.2 se puede apreciar las ventanas principales del IDE.

Figura 2-1: entorno de desarrollo de AVRstudio 4


2.1.1.2 Generación de proyectos en AVR Studio 4.


Al iniciar el AVR Studio 4 desde el menú [Inicio] [Programas] [Atmel AVR Tools].

Figura 2-2 AVR Studio, interfaz del usuario en AVR Simulator

El AVR Studio 4 soporta un amplio rango de herramientas para emulación y depuración. Por conveniencia el usuario debe seleccionar la funcionalidad de simulación incluida, el AVR Simulator; ya que, el resto de opciones requieren de H/W especial. Se debe seleccionar el Microcontrolador que utilizará en su aplicación, en este caso ATmega169. El AVR Studio iniciará y abrirá un archivo de extensión “.asm“.

2.1.1.3 Simulador en AVR Studio 4.


El AVR Simulator es un simulador para la arquitectura y dispositivos AVR. Este simula la CPU, incluyendo todas las instrucciones, interrupciones y la mayoría de los módulos de I/O del chip.

Figura 2-3: AVR Studio, selección de Microcontrolador

El AVR Simulator permite al usuario usar los comandos normales de depuración tal como Run, Break, Reset, Single step, set breakpoints y watch variables. Las vistas I/O, Register y Memory son totalmente funcionales usando el AVR Simulator.

2.1.2 PROTEUS VERSIÓN 7.4


PROTEUS es un programa para simular circuitos electrónicos complejos integrando inclusive desarrollos realizados con Microcontroladores de varios tipos, en una herramienta de alto desempeño con unas capacidades graficas impresionantes.

Presenta una filosofía de trabajo semejante al SPICE, arrastrando componentes de una barra e incrustándolos en la aplicación.

El Programa PROTEUS es una aplicación CAD que se compone de tres módulos básicos:

ISIS (“Esquema Inteligente de Sistema de Entrada”) que es el módulo de captura de esquemas.

VSM (“Modelamiento de Sistema Virtual”) es el módulo de simulación, incluyendo PROSPICE.

ARES (“Modelamiento Avanzado de Enrutamiento”) es el módulo para realización de circuitos impresos (PCB).

Figura 2-4: Interfaz gráfica de Proteus




2.2 HERRAMIENTAS DE HARDWARE PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO.


KIT DE DESARROLLO AVR BUTTERFLY, es el Hardware para el desarrollo del proyecto, se describe a continuación.

2.2.1 KIT DE DESARROLLO AVRBUTTERFLY


El Kit AVR Butterfly se diseñó para demostrar los beneficios y las características importantes de los Microcontroladores ATMEL.

El AVR Butterfly utiliza el Microcontrolador AVR ATmega169V, que combina la Tecnología Flash con el más avanzado y versátil Microcontrolador de 8 bits disponible. En la Figura 2.1 se puede apreciar el Kit AVR Butterfly.



Figura 2-5 Kit de Desarrollo AVR Butterfly

Características del Kit de Desarrollo AVRButterfly:


  • La arquitectura AVR en general y la ATmega169 en particular.

  • Diseño de bajo consumo de energía.

  • El encapsulado tipo MLF.

  • Periféricos:

  • Controlador LCD.

  • Memorias:

  • Flash, EEPROM, SRAM.

  • Data Flash externa.

  • Interfaces de comunicación:

  • UART, SPI, USI.

  • Métodos de programación.

  • Self-Programming/Bootloader, SPI, Paralelo, JTAG.

  • Convertidor Analógico Digital (ADC).

  • Timers/Counters:

  • Contador de Tiempo Real (RTC).

  • Modulación de Ancho de Pulso (PWM).


2.2.1.1 Hardware Disponible En El Kit AvrButterfly


Los siguientes recursos están disponibles en el Kit AVR Butterfly:

Microcontrolador ATmega169V (en encapsulado tipo MLF).

Pantalla tipo vidrio LCD de 120 segmentos, para demostrar las capacidades del controlador de LCD incluido dentro del ATmega169.

Joystick de cinco direcciones, incluida la presión en el centro.

Altavoz piezoeléctrico, para reproducir sonidos.

Cristal de 32 KHz para el RTC.

Memoria DataFlash de 4 Mbit, para el almacenar datos.

Convertidor de nivel RS-232 e interfaz USART, para comunicarse con unidades fuera del Kit sin la necesidad de hardware adicional.

Termistor de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC), conectado en PF0.

Resistencia Dependiente de Luz (LDR), para sensar y medir intensidad luminosa.

Acceso externo al canal 1 del ADC del ATmega169, para lectura de voltaje en el rango de 0 a 5 V.

Emulación JTAG, para depuración.

Interfaz USI, para una interfaz adicional de comunicación.

Terminales externas para conectores tipo Header, para el acceso a periféricos.

Batería de 3 V tipo botón (600mAh), para proveer de energía y permitir el funcionamiento del AVR Butterfly.

Bootloader, para programación mediante la PC sin hardware especial.

Aplicación demostrativa pre programada.

Compatibilidad con el Entorno de Desarrollo AVR Studio 4.

En las Figuras 2.7y 2.8 se observa el Hardware disponible en el AVR Butterfly.

Figura 2-6: Hardware Disponible (Parte Frontal)



Figura 2-7: Hardware Disponible (Parte Posterior)


2.2.1.2 FIRMWARE INCLUIDO en el Kit AVR Butterfly


El AVR Butterfly viene con una aplicación pre programado. Esta sección presentará una revisión de los elementos de esta aplicación.

Los siguientes bloques vienen pre programados en el AVR Butterfly:



  • Código Cargador de Arranque (BootloaderCode).

  • Código de la Aplicación.

  • Máquina de Estados.

  • Funciones incluidas:

  • Nombre-etiqueta.

  • Reloj (fecha).

  • Mediciones de temperatura.

  • Mediciones de luz.

  • Lecturas de voltaje.

  • Reproducción de tonadas/melodías.

  • Ahorro de energía automático.

  • Ajuste de contraste del LCD.

  • Más funciones podrán ser agregadas después, como por ejemplo:

  • Calculadora.

  • Función de recordatorio.

  • Alarma (alarmas diarias, temporizadores para la cocina, etc.).

  • Reproducción de melodías y visualización del texto (función de Karaoke).

  • Con la DataFlash de 4 Mb el usuario podrá almacenar una cantidad grande de datos.

La Figura 2.8 muestra el menú de la aplicación que viene con el AVR Butterfly. La columna a la izquierda muestra el menú principal: “AVR Butterfly”, “Tiempo”, “Música”, etc.

Figura. 2-8 Firmware Incluido en el AVR Butterfly (en español)


2.2.1.3 JOYSTICK


Para operar el AVR Butterfly se emplea el joystick como una entrada para el usuario. Este opera en cinco direcciones, incluyendo presión en el centro; tal como se puede ver en la Figura 2.5

Figura 2-9: Entrada tipo Joystick


2.2.1.4 ACTUALIZACIÓN. EL BOOTLOADER


El AVR Butterfly viene con un Bootloader que usa la característica self-programming del microcontrolador ATmega169. El Bootloader combinado con el circuito convertidor de nivel RS-232, integrado en el AVR Butterfly, hace posible actualizar la aplicación sin ningún hardware externo adicional. El AVR Prog, que es una herramienta incluida en el AVR Studio 4, es usado como interfaz entre la PC y el usuario. Ver Figura 2.11.

Figura. 2-10 AVR Prog en el AVR Studio4

Los datos son transmitidos hacia el Microcontrolador a través de la interfaz RS-232, para lo cual se debe conectar un cable serial desde la PC hacia el AVR Butterfly.

2.2.1.5 Actualización del AVR ATmega169 en el Kit AVR Butterfly


Desde la aplicación del AVR Butterfly se puede saltar hacia la sección de Arranque (bootsection), desplazándose a través del menú: “Opciones>Bootloader>Saltar hacia Bootloader”, simplemente reseteando el microcontrolador ATmega169 al cortocircuitar los pines 5 y 6 en el conector J403, conector ISP. Ver Figura 2.12

Figura. 2-11: Conector J403 para ISP

Luego de un reset, el microcontrolador ATmega169 comenzará desde la sección de Arranque. Nada se desplegará en el LCD mientras esté en la sección de Arranque. Entonces se deberá presionar ENTRAR en el joystick y mantener esa posición; mientras tanto desde la PC en el AVR Studio, iniciar el AVR Prog.

Una vez que se haya iniciado el AVR Prog, soltar el joystick del AVR Butterfly. Desde el AVR Prog, como se ve en la Figura 2.13, utilizar el botón “Browse” para buscar el archivo con la extensión *.hex con el que desea actualizar al AVR Butterfly. Una vez localizado el archivo *.hex, presionar el botón “Program”. Se notará que “ErasingDevice”, “Programming” y “Verifying” se ponen en “OK”, de manera automática. Luego de actualizar la aplicación, presionar el botón “Exit” en el AVR Prog para salir del modo de programación del ATmega169.



Figura. 2-12: AVR Prog


2.2.1.6 Saltar hacia el Sector de la Aplicación.


Para saltar de la Sección de Arranque hacia la de Aplicación presione el joystick hacia ARRIBA.

Figura. 2-13: Conectores del AVR Butterfly para acceso a periféricos


2.2.1.7 PROGRAMACIÓN MEDIANTE CONEXIÓN SERIAL (UART) CON LA PC


El AVR Butterfly tiene incluido un convertidor de nivel para la interfaz RS-232. Esto significa que no se necesita de hardware especial para reprogramar al AVR Butterfly utilizando la característica self-programming del ATmega169. A continuación se explica brevemente la distribución de los pines y como se debe realizar el cableado para la comunicación serial entre el AVR Butterfly y la PC.

La comunicación con la PC requiere de tres líneas: TXD, RXD y GND. TXD es la línea para transmitir datos desde la PC hacia el AVR Butterfly, RXD es la línea para recepción de datos enviados desde el AVR Butterfly hacia la PC y GND es la tierra común. En la Tabla 2.1 se observa la distribución de los pines para la comunicación serial, a la izquierda los pines del AVR Butterfly y a la derecha los pines del conector DB9 de la PC.



Tabla. 2-1 Distribución de pines, AVR Butterfly Vs. PC

En la Figura 2.14 se observa cómo se debe hacer el cableado para la comunicación, a través de la interfaz serial RS-232, entre el AVR Butterfly y la PC. A la izquierda seaprecia un conector DB9 hembra soldado a los cables que se conectan a la interfaz USART del AVR Butterfly (derecha).

Figura. 2.14 Conexiones para interfaz USART del AVR Butterfly



2.2.1.8 El LCD delKit AVR Butterfly

Interfaz muy simple para mostrar información podría ser el estado de unos LEDs. El microcontrolador atmega169 tiene un controlador LCD (LCD Driver) integrado capaz de controlar hasta 100 segmentos. El núcleo altamente eficiente y el consumo de corriente muy bajo de este dispositivo lo hace ideal para aplicaciones energizadas por batería que requieren de una interfaz humana.



2.2.1.9 Conexiones entre el LCD y el microcontrolador ATmega169 en el Kit AVR Butterfly.

Los pines para el LCD en el AVR se sitúan en PORTA, PORTC, PORTD y PORTG. El vidrio LCD incluido en el AVR Butterfly tiene un total de 120 segmentos controlados a través de cuatro terminales comunes y 30 líneas de segmento. Puesto que el Atmega169 es capaz de manejar 100 segmentos, algunos de los segmentos del vidrio LCD no están conectados en el AVR Butterfly.

En la Figura 2.17 se muestra el vidrio LCD montado en el AVR Butterfly. Este consiste de siete símbolos alfanuméricos y varios símbolos fijos: números de cero a nueve, una campana, un indicador de batería descargada (low-battery) y flechas de navegación

Figura. 2-15 Vidrio LCD

El AVR Butterfly tiene seis grupos similares de segmentos, donde cada grupo de segmentos es capaz de desplegar un carácter alfanumérico. Un cierto grupo de segmentos capaz de desplegar un carácter alfanumérico es llamado un dígito LCD. Este consiste de 14 segmentos separados. La Figura 2.18 muestra un dígito LCD y la letra usada para referirse a cada uno de los segmentos dentro del dígito LCD.

Figura. 2-16 Segmentos y Letras de Referencia de los Dígitos LCD

El LCD debe funcionar a ¼ Duty y 1/3 Bias (ver Capítulo 2, Controlador de LCD) para poder controlar los cuatro terminales comunes. Es muy importante notar que la energía para el LCD es suministrada desde el microcontrolador ATmega169 y no tienen líneas de alimentación separadas.

2.2.2 Fuente de alimentación externa.

El avrbutterfly puede ser alimentado/energizado por una fuente de voltaje externa de 3 v como se muestra en la figura 2.19 a través de los pines vcc_ext y gnd de los conectores externos portb y portd.



Figura. 2-17 AVR Butterfly, PORTB (a) y PORTD (b)

Se recomienda utilizar dos baterías tipo AA de 1.5 V y un porta-baterías para las mismas,

CAPITULO 3


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