PLACA P51 Versão 2.0 (DOCUMENTAÇÃO TÉCNICA)

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1 PLACA P51 Versão 2.0 (DOCUMENTAÇÃO TÉCNICA) 1. INTRODUÇÃO Este kit tem o propósito de ensaiar alguns microcontroladores da família C51, especificamente os do fabricante ATMEL: AT89S51, AT89S52, AT89S53, AT89S8252 e AT89S8253, porém alguns microcontroladores RISC AVR da ATMEL podem ser utilziados pela compatibilidade pino-a-pino (ex. AT90S) As placas foram desenvolvidas para utilização em disciplinas curriculares dos cursos superiores de Engenharia e Tecnologia em Eletrônica do, no que tange a experiências práticas em arquiteturas de 8 bits. 2. OBJETIVO O kit foi desenvolvido com o propósito de atualização da placa P51, desenvolvida há algum tempo pelo Prof. Dr. Douglas Renaux e o Eng. Eduardo Bregante (SIEMENS), devido à evolução da própria família do Existem algumas opções de microcontroladores de 8 bits, onde a família 51 pode suprir a necessidade dos alunos que desejam desenvolver projetos de circuitos e dispositivos eletrônicos, para as ênfases de nossa formação acadêmica (automação, telecomunicações, engenharia biomédica e teleinformática). Algumas soluções foram implementadas na placa do microcontrolador, com o intuito de facilitar a vida do projetista, tais como: conexão para fonte ou eliminador de pilha, regulador de tensão com dissipador, conexão DB9 para porta serial RS232, barras de pinos para conexão com os Ports de I/O, conector para LCD, interface RS485, jumpers para configuração, conexões para barras de resistores de pull-up e conexão para interface ISP (In-System Programming). 3. O PROJETO O circuito implementado está baseado na arquitetura clássica de um sistema microcontrolado, contendo o microcontrolador, barramentos, memória de programa, memória de dados, latch para seleção de dados e endereços, conforme mostrado na Figura 1 a seguir: 1

2 Figura 1: Sistema microcontrolado clássico Como o projeto é uma atualização da plataforma P51, bem como houve uma evolução da família de microcontroladores ATMEL, foi suprimido o chip de memória de programa, que era composto por uma EPROM, substituída, agora, pela memória FLASH interna ao microcontrolador. Cada componente da família ATMEL possui alguns recursos próprios, como tamanho da memória FLASH de programa, capacidade de RAM interna e até EEPROM interna para memória de dados. No caso do circuito utilizado, o AT89S52, a memória FLASH tem capacidade de 8kBytes, ou seja, esta placa é capaz de gravar, internamente ao chip do microcontrolador, até 8kBytes de arquivo compilado em formato binário, o que representa um software relativamente grande. A placa, porém, não se limita a projetos desta magnitude. Em um microcontrolador como o AT89S8253, por exemplo, poder-se-á compilar um código de até 12kB em binário, contando, ainda, com uma memória EEPROM de 2kBytes, interna para memória de dados. Adicionando à arquitetura da figura 1, colocar-se-á disponível para o aluno os Port s de I/O, que são em número de 4 conjuntos de 8 bits cada, a porta serial, o cristal de clock externo. Uma pergunta, porém, deve ser feita: como serão disponibilizados os quatro port s de I/O, se a memória RAM necessita dos port s P0 e P2 para funcionar (bus de dados e endereços)? Fazendo uma conta simples, apenas os port s P1 e P3 estariam disponíveis ao usuário, mesmo assim, o Port 3 tem os pinos P3.6 e P3.7 para acesso de leitura e escrita de memória externa. Como equacionar isso? A solução está no recurso disponível do ISP (In-System Programming). 2

3 4. ISP (In-System Programming) e o BARRAMENTO SPI A gravação In-System permite efetuar o download do programa desenvolvido pelo usuário junto à plataforma do firmware, sem que seja necessário retirar o microcontrolador da plataforma de testes e inseri-lo em um gravador específico. Existem algumas interfaces e protocolos padrões que permitem a gravação de dados e programas nos chips de forma onboard, entre eles estão: I 2 C, SPI, Maxim/Dallas 1-wire, Maxim 3-wire e Microwire. Estes barramentos são muito utilizados em memórias FLASH seriais (Serial Data Flash), bem como sensores para as mais variadas aplicações. Os microcontroladores da ATMEL, objetos de estudo para a placa desenvolvida, trabalham com o barramento SPI (Serial Peripheral Interface). O barramento SPI é uma interface de comunicação serial a 4 fios. É uma interface síncrona que permite ligar o microcontrolador e dispositivos periféricos, a uma taxa considerada de média velocidade (1 Mega Baud), com a vantagem da economia de meio físico, por se tratar apenas de 4 fios interligando vários dispositivos em paralelo, no sistema mestre/escravo (um mestre e os demais escravos). A transferência de dados/programas é feita no modo full-duplex, através de dois pinos de I/O. O pino denominado MISO (Master-in Slave-out ou Din em outros fabricantes), faz com que os dados saiam do dispositivo mestre ao escravo e o pino de MOSI (Master-Out Slave-In, ou Dout), que fará o caminho contrário. Um pino adicional de SCK (Serial Clock), que é gerado e tem sua velocidade controlada pelo mestre, é o responsável por ditar o sinal de sincronismo para a comunicação entre os dispositivos. A figura 2 ilustra os sinais deste tipo de barramento. Figura 2: Sinais do Barramento SPI Um sinal de seleção do chip (CS - chip select) também é necessário, quando houver mais de um escravo, para identificar qual dispositivo irá responder ao mestre (alguns dispositivos o nomeiam de SS-slave select). No caso do SPI da ATMEL o pino utilizado é o RST, onde, para a gravação onboard só existe um mestre e um escravo, então é utilizado o próprio pino de RESET do microcontrolador, que sempre estará em zero quando em funcionamento. 3

4 5. EMULAÇÃO DE HARDWARE Para quem trabalhou com a placa P51 anterior pôde conferir sua maior vantagem, que é a de emular um firmware, enquanto em desenvolvimento. Emulação de hardware ou firmware é um recurso fantástico, onde o programador pode verificar o comportamento real de seu projeto, através do debug online no próprio microcomputador. O recurso da simulação é muito importante, porém não leva a extinção de uma falha na implementação, pois não existe alteração no estado do hardware durante uma simulação por software, ao mesmo tempo em que, emuladores comerciais são extremamente caros, inviabilizando sua aquisição, principalmente em ambientes acadêmicos, onde haveria necessidade da compra de algumas dezenas para a mesma disciplina curricular. A placa P51 possuía este recurso de emulação, através da gravação um software monitor (PAULMON) em sua memória de programa. O debug do firmware podia ser feito pela porta serial do PC, rodando um aplicativo do próprio Windows (Hyperterminal). O programador descarrega seu software para testes na plataforma, dentro da memória de dados externa (RAM externa) e pode roda-lo passo-a-passo, com a finalidade de conferir se o firmware responde a contento. O programa monitor do PAULMON, no entanto, possui certas limitações, como ensaio de interrupções, timers, ensaio da porta serial (pois o mesmo utiliza a porta serial para debug e download) e os ports de I/O P0 e P2 que estão sendo utilizados como endereçamento de RAM e EPROM durante o debug. 6. COMBINANDO EMULAÇÃO COM O ISP No projeto da placa P51 V2.0 foi tentado fazer uma combinação de recursos para que não se perdesse o I/O, no caso de um projeto com uma necessidade prévia de pinos disponíveis para sensoreamento, acionadores, interfaces diversas, sem perder o importante recurso do debug onboard. O monitor PAULMON é didaticamente muito bom, porém surgiram novas vertentes nos últimos anos, como o software KEIL, da µvision, que possui um ambiente para emulação próprio, em ambiente gráfico, diretamente no Windows. Basta baixar o programa monitor, carregando-o na memória FLASH interna ao microcontrolador e partir para emulação. Através de um cabo especial, conectado à porta paralela do PC, rodando um aplicativo da ATMEL, pode ser colocado um arquivo binário dentro da memória de programa do microcontrolador, utilizando o barramento SPI. O diagrama em blocos é mostrado na Figura 3. 4

5 Figura 3: Diagrama em blocos da gravação ISP com o cabo da ATMEL 7. UTILIZAÇÃO DA PLACA NO MODO GRAVAÇÃO COM CABO ISP Para utilizar a placa no modo gravação da memória flash interna, através do cabo ISP é necessário construir o cabo, conforme ilustram as figuras 4 e 5 a seguir: Figura 4: Gravador ISP da ATMEL 5

6 Figura 5: Gravador ISP da ATMEL- conexão com a porta paralela do PC O funcionamento deste cabo é extremamente crítico. A própria ATMEL norte- desencoraja a construção do cabo, dizendo que sua construção e perfeito americana funcionamento são críticos, ao mesmo tempo em que seu custo é relativamente baixo (US$25,00 FOB). Como este custo não é nada atrativo a um laboratório com 20 alunos por turma, arriscou-se construir um cabo destes e realmente foi bastante problemático fazê-lo funcionar, porém, parece ter chegado em um nível de excelência de funcionamento. 8. O CIRCUITO O diagrama esquemático da placa P51 V2.0 pode ser visualizado na Figura 1. 6

7 Figura 1: Diagrama esquemático da placa P51 V2.0 7

8 9. LISTA DE COMPONENTES A lista de material para a placa P51 V2.0 está descrita na tabela seguir: Item Descrição Part Number 01 Conector DB9 macho para placa (90º) CON2 02 Conector de fonte para placa (90º) CON1 03 Conector KRE2 CON3 04 Resistor de 10kΩ 1/4W R1, R3, R4, R5, R6 05 Resistor de 8,2kΩ 1/4W R2 06 Resistor de 390Ω 1/4W R7 07 Trimpot mini 10kΩ POT 08 Chave Tok RESET 09 Capacitor cerâmico 100nF C12, C13, C14, C15 10 Capacitor cerâmico 33pF C2, C3 11 Capacitor cerâmico 10µF/25V C1, C5, C6, C7, C8, C9, C10 12 Capacitor eletrônico 100µF/25V C11 13 Diodo retificador 1N4007 D3 14 Diodo 1N4148 D1, D2 15 Led vermelho 5mm LED 16 Microcontrolador ATMEL 89S52 CI1 17 Latch 74HC373 CI3 18 Memória RAM 6264 ou CI2 19 MAX 232 (conversor TTl/RS232) CI5 20 SN75176 (conversor TTL/RS485) CI6 21 Regulador de tensão LM7805 CI7 22 Cristal MHz XTAL DIVERSOS Quantidade Soquete DIP20 01 Soquete DIP8 01 Soquete DIP40 01 Soquete DIP28 01 Soquete DIP16 01 Dissipador de calor 01 Parafusos fixação do dissipador 02 Barra de pinos macho1x40 (para jumpers) 01 Barra de pinos torneada 01 Barra de pinos fêmea 1x40 (para Ports I/O) 01 Jumpers 04 8

9 10. ERRATA Foi detectado um pequeno bug na confecção de placa, que é o pino de EA que não foi devidamente colocado em +5V, então deve ser feito um jumper do pino 31 do microcontrolador ao Vcc (+5V). 11. PROBLEMAS ENCONTRADOS NO CABO ISP Como vários professores e alguns alunos implementaram esta solução, muitas vezes sem sucesso na aplicação, algumas lições podem ser tiradas quanto à construção. São elas: - Utilize sempre um buffer para fazer as ligações entre a porta paralela e a interface SPI no microcontrolador. Este buffer, inclusive é de bom tamanho que seja da família lógica 74HC244 ou 74HCT244. Não foi testada a família 74VHC244 por não ter sido encontrada no comércio local. - Faça ligações curtas entre o circuito buffer e a interface da placa de ensaios. Não faca um cabo flat de 1 metro que vai da porta paralela até o circuito implementado, pois a imunidade a ruído é péssima. Prefira ligações curtas (no máximo 30 cm) do buffer até o 89S52. Se desejar uma ligação maior, ponha um cabo centronics, (próprio para impressora) ligando a porta paralela até uma caixa com o circuito de buffer (bem isolada), e, a partir desta, uma ligação de uns 30 cm até o microcontrolador. - Utilize capacitores de 100nF e 100µF na alimentação do buffer. - A alimentação poderá vir da placa P51, porém, deve estar bem estável em tesão e imune a ruídos de alta freqüência. - Preze pela qualidade do GND utilizado AGRADECIMENTOS A placa kit descrita é destinada a projetos e exercícios didáticos, utilizando microcontroladores da família ATMEL, principalmente a família C52. Então, agradecimentos devem ser feitos às pessoas que propiciaram este desenvolvimento, como o Eng. David Lee (Atmel EUA), Patrice Graziotin (ATMEL EUA), Vandelei (Atmel Brasil), Prof. Juliano Mourão (), Prof. Eduardo Bertogna (), Eng. Cleverson Scharf (Fortex) e aos alunos da disciplina de Eletrônica Digital II Engenharia 02/2004. Prof. Rubens Alexandre 9