Portas de Entrada/Saída

(1)

Gui˜

ao 2

Portas de Entrada/Sa´ıda

Jo˜

ao Paulo Sousa

jpsousa@fe.up.pt

2.1 Introdu¸c˜ao e objectivos . . . 1

2.2 Constitui¸c˜ao interna e modo de funcionamento . . . 2

2.2.1 Portas P1 e P3 . . . 2

2.2.2 Portas P0 e P2 . . . 3

2.3 Interface com o exterior . . . 3

2.3.1 Caracter´ısticas el´ectricas das portas . . . 3

2.3.2 Entradas simples e com isolamento . . . 4

2.3.3 Sa´ıda sem isolamento para um LED . . . 5

2.3.4 Sa´ıdas com isolamento ´optico . . . 5

2.1 Introdu¸

c˜

ao e objectivos

O projecto de um sistema microcontrolado engloba, para além do projecto lógico, o projecto eléctrico de todas as interliga¸cões. Esta componente do projecto requer um conhecimento apro-fundado das caracter´ısticas eléctricas dos componentes utilizados e, no caso particular dos mi-crocontroladores, da constitui¸cão interna, modo de funcionamento e caracter´ısticas eléctricas das portas de entrada/sa´ıda.

Este trabalho incide sobre um dos elementos base da fam´ılia 51 – o AT89C51, fabricado pela Atmel – e tem como objectivo a familiariza¸c˜ao com as portas de entrada/sa´ıda do microcontro-lador, particularmente nos seguintes aspectos:

• estrutura interna e modo de funcionamento, • caracter´ısticas el´ectricas,

• projecto de interfaces com o exterior.

A metodologia a usar será a análise, projecto e simula¸cão dos circuitos envolvidos. Como ferramenta de simula¸cão recomenda-se a aplica¸cão Electronics Workbench (EWB), dispon´ıvel na rede do DEEC.

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Ainda que de n´ıvel 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 Constitui¸

c˜

ao 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/sa´ıda, têm uma fun¸cão alternativa, apresentada na tabela 2.1.

Bit Fun¸c˜ao alternativa

P3.0 Entrada de dados para a porta série (RxD) P3.1 Sa´ıda de dados da porta série (TxD) P3.2 Entrada de interrup¸cão (INT0) P3.3 Entrada de interrup¸cão (INT1)

P3.4 Entrada de contagem de impulsos (T0) P3.5 Entrada de contagem de impulsos (T1)

P3.6 Sa´ıda de controlo de escrita na mem´oria de dados externa (WR) P3.7 Sa´ıda de controlo de leitura da mem´oria de dados externa (RD) P1.0 Entrada de contagem de impulsos (T2)

P1.1 Entrada para captura/recarregamento de valores (T2EX) Tabela 2.1: Fun¸c˜oes alternativas das portas P3 e P1

Na figura 2.1 estão representadas as células de entrada/sa´ıda associadas a pinos sem e com fun¸cão alternativa. Os primeiros são constitu´ıdos simplesmente por um flip-flop, um amplificador de sa´ıda 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 fun¸cão alternativa do interior para o exterior do microcontrolador e vice-versa. A estrutura básica de

Q /Q D Clk Vcc LR Pino Bar ra mento i nter no ER LP SUC0203-02A

(a) Pino sem fun¸c˜ao alternativa

Q /Q D Clk Vcc LR Pino Bar ra mento i nter no ER LP SUC0203-02B SA EA

(b) Pino com fun¸c˜ao alternativa

Figura 2.1: Células de entrada/sa´ıda associadas a pinos sem e com fun¸cão 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 instru¸cões espec´ıficas do microcontrolador; por exemplo, a instru¸cão 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,

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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 n´ıvel lógico alto. Porquê?

Os sinais SA e EA – respectivamente sa´ıda alternativa e entrada alternativa – permitem encaminhar a fun¸cão alternativa do interior para o exterior do microcontrolador (sinal SA) e vice-versa (sinal EA). Obviamente só existem nas células associadas a pinos com fun¸cão alternativa. Repare que só é poss´ıvel usar a fun¸cão alternativa (seja ela de entrada ou de sa´ıda) se o registo interno estiver no n´ıvel 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 endere¸cos, e a porta P2 como metade mais sig-nificativa do barramento de endere¸cos. Em alternativa a estas fun¸cões ambas funcionam como portas de entrada/sa´ıda normais. Confirme [2, pág. 40–41] que a porta P0 quando funciona como porta de entrada/sa´ıda não tem pull-up interno. Que implica¸cões tem esse facto no seu modo de funcionamento?

2.3 Interface com o exterior

2.3.1 Caracter´ısticas el´ectricas das portas

As caracter´ısticas eléctricas das portas do microcontrolador AT89C51 estão apresentadas na tabela 2.2 e na figura 2.2. Se as condi¸cões de validade não forem verificadas os valores dos parˆ

a-Parâmetro Valor Observa¸cões e condi¸cões de validade VIH 1.9V Valor m´ınimo para ser considerado um “1”

VIL 0.9V Valor m´aximo para ser considerado um “0”

IIH ≈ 0

IIL 50µA VIL= 0.45V

VOH 4.5V IOH (debitada) inferior a 10µA (80µA para P0)

VOL 0.45V IOL (absorvida) inferior a 1.6mA (3.2mA para P0)

Tabela 2.2: Caracter´ısticas el´ectricas das portas para Vcc=5V

2 3 4 5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

IOH - Corrente debitada pela saída no nível alto (µA)

VOH

- Tensão de saída no nível alto (V)

Portas P1, P2 e P3 (a) 0 1 2 0.01 0.1 1 10 100

IOL - Corrente absorvida pela saída no nível baixo (mA)

VOL

- Tensão de saída no nível baixo (V)

Portas P1, P2 e P3

Porta P0

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Figura 2.2: Curvas tens˜ao-corrente quando as portas funcionam como sa´ıda

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uma corrente absorvida por uma sa´ıda superior a 1.6mA no n´ıvel 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 inspeçcão da figura 2.2 facilmente se conclui que a capacidade de absorver cor-rente é muito superior à capacidade de debitar corrente. Esta constata¸cão é de grande impor-tância no projecto de interfaces de sa´ıda.

Com base na curva tensão-corrente no n´ıvel 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 trans´ıstores 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 con-duz a frequentes erros de projecto. Na figura 2.3 estão representadas quatro configura¸cões para ligar um interruptor (sensor) a uma porta de entrada mas nem todas funcionam correctamente.

8?? Pino SUC0203-02C (a) 8?? Pino 4k7 SUC0203-02D (b) SUC0203-02F Pino 8?? 10k (c) SUC0203-02E Pino (d)

Figura 2.3: Configura¸c˜oes 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 caracter´ısticas de entrada apresentadas na seçcão anterior, que comentários se podem tecer sobre o valor da resistência de pull-down da configura¸cão (b) e da resistência de pull-up da configura¸cão (c)? De entre as configura¸cões 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 diferen¸ca entre as tensões de funcionamento dos circuitos exteriores e do microcontrolador, justifica-se uma entrada digital com isolamento. A figura 2.4 representa uma configura¸cão de princ´ıpio para ligar um interruptor (sensor) a uma porta de entrada com isolamento óptico.

SUC0203-02G

Pino 4N25 "8

RD

8??

RP

Figura 2.4: Interface de entrada com isolamento ´optico

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caracter´ıs-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 solu¸cão para uma entrada isolada que permita valores de VOH compreendidos entre 10V e 50V. Sugestão: utilize uma fonte de

corrente com base num trans´ıstor JFET. Como se poderia proteger esta entrada contra invers˜oes de polaridade da alimenta¸c˜ao dos circuitos exteriores?

Comprove a validade das suas solu¸c˜oes recorrendo ao simulador EWB. Para representar o opto-acoplador poder´a usar uma fonte de corrente controlada por corrente.

2.3.3 Sa´ıda sem isolamento para um LED

A implementa¸cão de uma sa´ıda digital para um LED é também um circuito de interface simples que conduz a erros de projecto frequentes. A figura 2.5, representa quatro configura¸cões 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 caracter´ısticas

SUC0203-02H Pino RP (a) Pino 8?? SUC0203-02J RP (b) Pino SUC0203-02I 8?? RB1 RB2 RC (c) Pino SUC0203-02K 8?? RB RC (d)

Figura 2.5: Interfaces de sa´ıda simples

de sa´ıda das portas determine, justificando, quais as configura¸cões correctas. Se necessário recorra ao simulador EWB para confirmar as suas previsões. Para simplificar a simula¸cão deve substituir o transistor MOSFET por um inversor CMOS com sa´ıda em dreno aberto (HC-OD). Com base nas configura¸cões tipo apresentadas, projecte uma interface de sa´ıda 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 admiss´ıvel nas portas [1, pág. 37]. Os parâmetros de sa´ıda da porta são afectados?

2.3.4 Sa´ıdas com isolamento ´optico

O isolamento óptico justifica-se agora pelas caracter´ısticas 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 comuta¸cão.

A configura¸cão de princ´ıpio apresentada não apresenta qualquer novidade. O d´ıodo 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.

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No caso de uma carga funcionando na rede el´ectrica de 230V a necessidade de isolamento ´

e obvia. A configura¸cão de princ´ıpio mais simples – figura 2.6(b) – utiliza um opto-triac. A desvantagem desta configura¸cão é que não existe a garantia de que a comuta¸cão se fa¸ca 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. Pino Vcc RP SUC0203-02M V+ RB 4N25 RC

(a) Carga indutiva

Pino 8?? RP SUC0203-02N !8=? 120 MOC3020 _1k BT139 39 10nF (b) Carga a 230Vac

Figura 2.6: Interfaces de sa´ıda 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 altera¸cões 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 sa´ıda 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 n˜ao existe na biblioteca.

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Anexo: relembrando as fontes de corrente com JFET. . .

Para valores baixos de vDS, isto ´e, inferiores a vGS− VP, a rela¸c˜ao entre iD e vDS num transistor

JFET ´e praticamente linear (zona ohmica) mas `a medida que vDS sobe o transistor entra na

zona de satura¸c˜ao onde iD pouco depende de vDS mas praticamente s´o de vGS. Nesta zona o

transistor funciona como uma fonte de corrente controlada por vGS. ´E o que se passa no circuito

apresentado. A equa¸cão que rege o funcionamento do transistor na zona de satura¸cão é:

SUC0203-02P 4N25 10..30V RS VGS ID iD = IDSS 1 −vGS VP 2 (1 + λvDS) ≈ IDSS 1 −vGS VP 2 (2.1) ou, explicitando em ordem a vGS:

vGS = VP 1 − s iD IDSS ! (2.2)

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 gr´aficos, retirados da folha de caracter´ısticas, permitem

conhecer os valores t´ıpicos de VP e IDSS para 3 trans´ıstores JFET de canal N de uso comum.

ndbook, halfpage VGS (V) ID (mA) 6 0 −4 −2 0 MGE789 5 4 3 2 1 (a) BF245A dbook, halfpage VGS (V) ID (mA) 15 0 −4 −2 0 MGE787 10 5 (b) BF245B ndbook, halfpage VGS (V) ID (mA) 30 0 −10 −5 0 MGE788 20 10 (c) BF245C dbook, halfpage VDS (V) ID (mA) 6 0 0 10 20 MBH555 5 4 3 2 1 VGS = 0 V −0.5 V −1 V −1.5 V (d) BF245A dbook, halfpage VDS (V) ID (mA) 30 0 0 10 20 MBH554 20 10 VGS = 0 V −1 V −2 V −3 V −4 V (e) BF245B dbook, halfpage VDS (V) ID (mA) 15 0 0 10 20 MBH553 10 5 VGS = 0 V −0.5 V −1 V −1.5 V −2 V −2.5 V (f) BF245C