Portas de Entrada/Sa´ıda

Guião 2
Portas de Entrada/Saı́da
João Paulo Sousa
[email protected]
2.1
2.2
Introdução e objectivos . . . . . . . . . . . . . . .
Constituição interna e modo de funcionamento
2.2.1 Portas P1 e P3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Portas P0 e P2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Interface com o exterior . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Caracterı́sticas eléctricas das portas . . . . . . .
2.3.2 Entradas simples e com isolamento . . . . . . . .
2.3.3 Saı́da sem isolamento para um LED . . . . . . .
2.3.4 Saı́das com isolamento óptico . . . . . . . . . . .
2.1
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1
2
2
3
3
3
4
5
5
Introdução e objectivos
O projecto de um sistema microcontrolado engloba, para além do projecto lógico, o projecto
eléctrico de todas as interligações. Esta componente do projecto requer um conhecimento aprofundado das caracterı́sticas eléctricas dos componentes utilizados e, no caso particular dos microcontroladores, da constituição interna, modo de funcionamento e caracterı́sticas eléctricas das
portas de entrada/saı́da.
Este trabalho incide sobre um dos elementos base da famı́lia 51 – o AT89C51, fabricado pela
Atmel – e tem como objectivo a familiarização com as portas de entrada/saı́da do microcontrolador, particularmente nos seguintes aspectos:
• estrutura interna e modo de funcionamento,
• caracterı́sticas eléctricas,
• projecto de interfaces com o exterior.
A metodologia a usar será a análise, projecto e simulação dos circuitos envolvidos. Como
ferramenta de simulação recomenda-se a aplicação Electronics Workbench (EWB), disponı́vel
na rede do DEEC.
1
Ainda que de nı́vel introdutório, assume-se a existência de conhecimentos prévios sobre esta
familia de microcontroladores. Como elementos de estudo recomendam-se [2, páginas 40 a 43],
[3, páginas 565 e seguintes] e [4, páginas 151 e seguintes] onde estes assuntos estão apresentados
em detalhe.
2.2
Constituição interna e modo de funcionamento
2.2.1
Portas P1 e P3
Todos os bits da porta P3 e alguns bits da porta P1, para além de funcionarem como bits de
entrada/saı́da, têm uma função alternativa, apresentada na tabela 2.1.
Bit
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
Função alternativa
Entrada de dados para a porta série (RxD)
Saı́da de dados da porta série (TxD)
Entrada de interrupção (INT0)
Entrada de interrupção (INT1)
Entrada de contagem de impulsos (T0)
Entrada de contagem de impulsos (T1)
Saı́da de controlo de escrita na memória de dados externa (WR)
Saı́da de controlo de leitura da memória de dados externa (RD)
P1.0
P1.1
Entrada de contagem de impulsos (T2)
Entrada para captura/recarregamento de valores (T2EX)
Tabela 2.1: Funções alternativas das portas P3 e P1
LR
Barramento interno
Barramento interno
Na figura 2.1 estão representadas as células de entrada/saı́da associadas a pinos sem e com
função alternativa. Os primeiros são constituı́dos simplesmente por um flip-flop, um amplificador
de saı́da em dreno aberto (MOSFET de canal N) com pull-up interno e um amplificador de
entrada; os segundos possuem portas lógicas adicionais que permitem encaminhar a função
alternativa do interior para o exterior do microcontrolador e vice-versa. A estrutura básica de
Vcc
D
ER
Q
Clk /Q
Pino
SA
LR
Vcc
D
ER
Q
Pino
Clk /Q
LP
EA
LP
SUC0203-02A
SUC0203-02B
(a) Pino sem função alternativa
(b) Pino com função alternativa
Figura 2.1: Células de entrada/saı́da associadas a pinos sem e com função alternativa
uma porta dispõe de três sinais de controlo que permitem: a escrita no registo (ER), a leitura
do registo (LR), e a leitura do pino (LP). Estes sinais internos são activados por instruções
especı́ficas do microcontrolador; por exemplo, a instrução MOV P1.7,C coloca o valor da flag
carry no bit mais significativo do barramento interno e seguidamente actua o sinal ER da célula
associada ao pino P1.7 para que esse valor seja transferido para o registo e, consequentemente,
2
para o pino associado. Esta estrutura permite sempre escrever e ler o registo interno mas só
permite ler o pino se o registo interno estiver no nı́vel lógico alto. Porquê?
Os sinais SA e EA – respectivamente saı́da alternativa e entrada alternativa – permitem
encaminhar a função alternativa do interior para o exterior do microcontrolador (sinal SA) e viceversa (sinal EA). Obviamente só existem nas células associadas a pinos com função alternativa.
Repare que só é possı́vel usar a função alternativa (seja ela de entrada ou de saı́da) se o registo
interno estiver no nı́vel lógico alto. Porquê?
2.2.2
Portas P0 e P2
A porta P0 pode funcionar como barramento de dados, multiplexado temporalmente com a
metade menos significativa do barramento de endereços, e a porta P2 como metade mais significativa do barramento de endereços. Em alternativa a estas funções ambas funcionam como
portas de entrada/saı́da normais. Confirme [2, pág. 40–41] que a porta P0 quando funciona
como porta de entrada/saı́da não tem pull-up interno. Que implicações tem esse facto no seu
modo de funcionamento?
2.3
Interface com o exterior
2.3.1
Caracterı́sticas eléctricas das portas
As caracterı́sticas eléctricas das portas do microcontrolador AT89C51 estão apresentadas na
tabela 2.2 e na figura 2.2. Se as condições de validade não forem verificadas os valores dos parâParâmetro
VIH
VIL
IIH
IIL
Valor
1.9V
0.9V
≈0
50µA
Observações e condições de validade
Valor mı́nimo para ser considerado um “1”
Valor máximo para ser considerado um “0”
VIL = 0.45V
VOH
VOH
VOH
VOL
4.5V
3.75V
2.4V
0.45V
IOH (debitada) inferior a 10µA (80µA para P0)
IOH (debitada) inferior a 25µA (300µA para P0)
IOH (debitada) inferior a 60µA (800µA para P0)
IOL (absorvida) inferior a 1.6mA (3.2mA para P0)
5
VOL - Tensão de saída no nível baixo (V)
VOH - Tensão de saída no nível alto (V)
Tabela 2.2: Caracterı́sticas eléctricas das portas para Vcc=5V
4
Portas P1, P2 e P3
3
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2
1
Portas P1, P2 e P3
0
0.01
0.1
1
Porta P0
10
100
IOL - Corrente absorvida pela saída no nível baixo (mA)
IOH - Corrente debitada pela saída no nível alto (µA)
(a)
(b)
Figura 2.2: Curvas tensão-corrente quando as portas funcionam como saı́da
metros não são garantidos mas o circuito poderá ainda funcionar correctamente. Por exemplo,
3
uma corrente absorvida por uma saı́da superior a 1.6mA no nı́vel lógico “0” significa apenas que
a tensão nesse pino vai ser superior a 0.45V o que, por si só, não significa que o circuito a jusante
deixe de funcionar correctamente; tudo dependerá do que lá estiver ligado.
Por simples inspecção da figura 2.2 facilmente se conclui que a capacidade de absorver corrente é muito superior à capacidade de debitar corrente. Esta constatação é de grande importância no projecto de interfaces de saı́da.
Com base na curva tensão-corrente no nı́vel alto – figura 2.2(a) – estime um valor para a
resistência de pull-up. Na verdade não se trata de uma simples resistência mas sim de um
circuito activo com vários transı́stores MOSFET de canal P. Qual o motivo porque não existe
curva para a porta P0?
2.3.2
Entradas simples e com isolamento
Uma entrada digital sem isolamento é o circuito de interface mais simples mas infelizmente conduz a frequentes erros de projecto. Na figura 2.3 estão representadas quatro configurações para
ligar um interruptor (sensor) a uma porta de entrada mas nem todas funcionam correctamente.
8??
8??
8??
10k
Pino
Pino
4k7
Pino
Pino
SUC0203-02C
(a)
SUC0203-02D
SUC0203-02F
(b)
(c)
SUC0203-02E
(d)
Figura 2.3: Configurações para uma interface de entrada sem isolamento
Analise os circuitos e, se necessário, recorra ao simulador EWB para determinar qual (ou
quais) são as correctas. Explique porquê.
Considerando as caracterı́sticas de entrada apresentadas na secção anterior, que comentários
se podem tecer sobre o valor da resistência de pull-down da configuração (b) e da resistência de
pull-up da configuração (c)? De entre as configurações que funcionam qual é a mais eficiente em
termos energéticos?
Quando se trabalha em ambientes onde exista o perigo de aparecimento de sobre-tensões
induzidas ou de um modo geral sempre que exista uma grande diferença entre as tensões de
funcionamento dos circuitos exteriores e do microcontrolador, justifica-se uma entrada digital
com isolamento. A figura 2.4 representa uma configuração de princı́pio para ligar um interruptor
(sensor) a uma porta de entrada com isolamento óptico.
8??
RP
Pino
4N25
RD
"8
SUC0203-02G
Figura 2.4: Interface de entrada com isolamento óptico
Calcule o valor da resistência RD, de polarização do LED. Esse valor depende das caracterı́s4
ticas eléctricas do opto-acoplador (CTR – current transfer ratio, coeficiente de transferência de
corrente) e, obviamente, da tensão de funcionamento dos circuitos exteriores pelo que o projecto
do circuito apresentado requer o conhecimento dessa tensão (24V neste caso). A resistência RP
é sempre necessária? Porquê?
Nos casos em que se pretende uma gama alargada de tensões de funcionamento este circuito
não funciona de forma eficiente. Porquê? Apresente uma solução para uma entrada isolada
que permita valores de VOH compreendidos entre 10V e 50V. Sugestão: utilize uma fonte de
corrente com base num transı́stor JFET. Como se poderia proteger esta entrada contra inversões
de polaridade da alimentação dos circuitos exteriores?
Comprove a validade das suas soluções recorrendo ao simulador EWB. Para representar o
opto-acoplador poderá usar uma fonte de corrente controlada por corrente.
2.3.3
Saı́da sem isolamento para um LED
A implementação de uma saı́da digital para um LED é também um circuito de interface simples
que conduz a erros de projecto frequentes. A figura 2.5, representa quatro configurações para
ligar um LED (ou outra carga que consuma uma corrente da mesma ordem de grandeza) a uma
porta do microcontrolador mas nem todas funcionam correctamente. Em face das caracterı́sticas
8??
Pino
RP
RP
Pino
SUC0203-02J
SUC0203-02H
(a)
(b)
RC
Pino
RC
8??
Pino
RB1
RB
8??
RB2
SUC0203-02I
SUC0203-02K
(c)
(d)
Figura 2.5: Interfaces de saı́da simples
de saı́da das portas determine, justificando, quais as configurações correctas. Se necessário
recorra ao simulador EWB para confirmar as suas previsões. Para simplificar a simulação deve
substituir o transistor MOSFET por um inversor CMOS com saı́da em dreno aberto (HC-OD).
Com base nas configurações tipo apresentadas, projecte uma interface de saı́da para um LED
de baixo consumo (ID = 3mA, VD = 1.1V ) e outra para uma lâmpada incandescente (6V /5W ).
Tenha o cuidado de não ultrapassar a corrente máxima admissı́vel nas portas [1, pág. 37]. Os
parâmetros de saı́da da porta são afectados?
2.3.4
Saı́das com isolamento óptico
O isolamento óptico justifica-se agora pelas caracterı́sticas da carga. No caso de um relé – figura
2.6(a) – o comportamento indutivo da carga poderá fazer aparecer picos de tensão elevados nos
momentos de comutação.
A configuração de princı́pio apresentada não apresenta qualquer novidade. O dı́odo em
paralelo com o enrolamento do relé é necessário para possibilitar um caminho de fuga para a
energia armazenada na bobina nos momentos em que esta deixa de ser actuada.
5
No caso de uma carga funcionando na rede eléctrica de 230V a necessidade de isolamento
é obvia. A configuração de princı́pio mais simples – figura 2.6(b) – utiliza um opto-triac. A
desvantagem desta configuração é que não existe a garantia de que a comutação se faça nos
instantes em que a tensão da rede eléctrica passa por zero de modo a minimizar a interferência
electromagnética e, no caso de a carga ser uma lâmpada incandescente, maximizar o tempo de
vida do filamento.
Vcc
8??
V+
RP
RC
RP
Pino
Pino
SUC0203-02M
120
RB
4N25
SUC0203-02N
(a) Carga indutiva
BT139
MOC3020
1k
10nF
39
!8=?
(b) Carga a 230Vac
Figura 2.6: Interfaces de saı́da com isolamento
Com a ajuda do simulador EWB projecte uma interface para um relé de 12V supondo que
a corrente para o fazer atracar é de 24mA. Sabendo que a corrente necessária para o manter
atracado é apenas 1/4 desse valor que alterações ao projecto sugere?
Como projecto integrador de todo este guião apresente uma interface que permita a um
microcontrolador acender e apagar um conjunto de lâmpadas incandescentes totalizando 1kW
de potência, ligadas à rede eléctrica de 230Vac com funcionamento sincronizado pelos instantes
em que a tensão da rede passa por zero. Sugestão: use uma saı́da isolada opticamente para
controlar a carga e uma entrada isolada opticamente para detectar os instantes em que a tensão
da rede passa por zero.
Bibliografia
[1] ATMEL Semiconductors. AT89C51, 8 Bit Microcontroller with 4K Bytes Flash – Product
Data Sheet, Dezembro 1997.
[2] ATMEL Semiconductors. AT89 Series Hardware Description, Dezembro 1998.
[3] Paul Horowitz and Winfield Hill. The Art of Electronics. Cambridge University Press, 2
edition, 1990. ISBN 0–52–137095–7. Existe na biblioteca.
[4] Thomas Schultz. C and the 8051: building efficient Applications, volume 2. Prentice Hall,
1999. ISBN 0–13–521121–2. Ainda não existe na biblioteca.
6
Anexo: relembrando as fontes de corrente com JFET. . .
Para valores baixos de vDS , isto é, inferiores a vGS − VP , a relação entre iD e vDS num transistor
JFET é praticamente linear (zona ohmica) mas à medida que vDS sobe o transistor entra na
zona de saturação onde iD pouco depende de vDS mas praticamente só de vGS . Nesta zona o
transistor funciona como uma fonte de corrente controlada por vGS . É o que se passa no circuito
apresentado. A equação que rege o funcionamento do transistor na zona de saturação é:
vGS 2
= IDSS 1 −
(1 + λvDS )
VP
2
vGS
≈ IDSS 1 −
VP
iD
10..30V
ID
4N25
VGS
RS
(2.1)
ou, explicitando em ordem a vGS :
s
vGS = VP
1−
SUC0203-02P
iD
!
(2.2)
IDSS
com vGS = −RS × iD , imposta pelo circuito.
(2.3)
O valor de RS determina-se por (2.3) depois de impor um valor para a corrente iD e calcular por
(2.2) o valor de vGS correspondente. Os gráficos, retirados da folha de caracterı́sticas, permitem
conhecer os valores tı́picos de VP e IDSS para 3 transı́stores JFET de canal N de uso comum.
MGE789
6
ID
(mA)
5
MGE787
15
4
MGE788
30
ndbook, halfpage
dbook, halfpage
ndbook, halfpage
ID
(mA)
ID
(mA)
10
20
5
10
3
2
1
0
−4
−2
0
VGS (V)
0
−4
(a) BF245A
−2
VGS (V)
0
0
−10
(b) BF245B
MBH555
6
ID
(mA)
5
MBH554
30
MBH553
15
dbook, halfpage
ID
(mA)
ID
(mA)
VGS = 0 V
4
0
VGS (V)
(c) BF245C
dbook, halfpage
dbook, halfpage
−5
20
VGS = 0 V
10
VGS = 0 V
−0.5 V
3
−1 V
−0.5 V
2
10
−1 V
1
−1.5 V
0
0
10
VDS (V)
(d) BF245A
20
0
−1 V
5
−2 V
0
10
−2 V
−4 V
−2.5 V
VDS (V)
(e) BF245B
−1.5 V
−3 V
20
0
0
10
VDS (V)
(f) BF245C
Figura 2.7: Caracterı́sticas de entrada (a,b,c) e de saı́da (d,e,f) da série BF245
7
20