DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA VITORIA - GASTEIZ UNIVERSIDAD DEL PAIS VASCO - EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEA

Ampliación de Sistemas Digitales

EHU basada en el AT89s8253 UPV

Documentación de la placa de prácticas

E.U.I. Vitoria-Gasteiz

José Miguel Gil-García Dpto. Electrónica y Telecomunicaciones E.U.I. de Vitoria-Gasteiz Octubre 2007

Placa de prácticas basada en el AT89s8253

Ampliación de Sistemas Digitales

Documentación de la placa de prácticas Objetivos Los objetivos de este cuaderno son los siguientes -

EHU UPV

Documentar la placa que se usa para las prácticas de la asignatura de Ampliación de Sistemas Digitales.

-

Proponer una alternativa más sencilla para que los alumnos que quieran, puedan construir su propia placa en casa y utilizarla como base para sus desarrollos.

Introducción

Los ficheros de los esquemáticos (*.OPJ y *.NDS) y de layout (*.MAX) de la placa se pueden descargar libremente desde el FTP del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Se han realizado con la versión 10.5 de Orcad. Al final de este documento se encuentran los esquemáticos y la situación de los componentes en la placa así como de los cables necesarios para su programación y su comunicación con un PC. También se adjunta el listado de componentes necesarios. El sistema completo de desarrollo constaría además de un software ejecutado en un PC encargado de descargar el firmware al microcontrolador, de un cable para programar el micro a través del puerto paralelo y de un cable null modem para comunicarse vía RS232 con la placa (opcional, pero necesario para muchas aplicaciones).

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El objetivo de esta placa es servir de base para la realización de una serie de prácticas básicas sobre microcontroladores con los diferentes periféricos integrados en ellos en la asignatura Ampliación de Sistemas Digitales. Es posible programar el microcontrolador elegido sin necesidad de desconectarlo de la placa y ser llevado a un programador tradicional (Es decir, admite In System Programmable o ISP). En la Figura 1se puede observar la distribución de componentes de la placa.

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Figura 1 Distribución de componentes de la placa de prácticas Alimentación

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La placa necesita ser alimentada con una tensión continua de 5V regulados a través del conector J1. Entonces luce el diodo led rojo D1. No tiene ningún tipo de protección para evitar que

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se conecte mal la alimentación, por lo que se debe ser extremadamente cuidadoso a la hora de conectar el circuito a 5V. Si no se dispone de una fuente de alimentación estabilizada, se puede usar un puerto USB y un cable que se tenga y que ya no se use. Un conector USB debe tener cuatro líneas: +5V, GND, D+ y D-. Al cortar el extremo del cable deberían aparecer los colores de los cables de alimentación y masa que deberían ser rojo y negro respectivamente. El límite de corriente que se puede extraer de esta forma de un puerto USB es de 100mA. En principio la placa consume mucho menos (25mA. máximo), pero deberéis tenerlo en cuenta si se conecta alguna otra cosa.

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Figura 2 Cableado de un conector USB Interfaz de comunicación RS232

El circuito MAX232 (U2) se encarga de adaptar las señales digitales 0-5V a las necesarias para la norma RS232. El conector P1 es un DB9 macho cuyo pinout coincide con el de un conector pensado para una comunicación DTE-DTE. Es decir, las líneas TX y RX llegan a este conector por un cable cruzado (ver Figura 3). Conectores de expansión J2 y J4 J2 es un conector para cable plano de 25x2 pines. En él se encuentran todas las señales del microcontrolador excepto las del puerto serie RXD y TXD, pines 10 y 11 del mismo, respectivamente. El periférico objeto de estudio debe tener otro conector similar y la unión entre ambas placas se realizaría mediante un cable plano. Este cable debe estar hecho de tal forma que

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pase por encima de los componentes de la placa del microcontrolador, quedando este debajo tal y como se observa en la Figura 3.

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EHU UPV Figura 3 Detalle de la conexión entre placas Hay que hacer notar que los pines del puerto P1.5, P1.6 y P1.7 que se tienen en el conector no son directamente los del micro, sino que provienen del 74HC244 (U3), que funciona en modo trasparente cuando el microcontrolador ejecuta el código que se le ha cargado. J4 es una zona sin conector físico a la que se han llevado todas los puertos del microcontrolador para hacerlos accesibles a la zona de prototipos. El microcontrolador AT89s8253 El microcontrolador de Atmel (www.atmel.com) AT89S8253 funciona a una frecuencia de

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11.0592MHz. aunque puede llegar hasta los 24MHz. Implementa 12KB de memoria de código. 2KB de memoria EEPROM y posee un interfaz serie síncrono adicional SPI, posibilidad de

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funcionar con un oscilador interno a doble velocidad que el externo y circuito de reset interno. El buffer 74HC244 Tiene una función doble: por un lado aislar el circuito de programación (Puerto paralelo del PC) de los pines P1.5, P1.6 y P1.7 del microcontrolador cuando éste se encuentra ejecutando un programa, o de ponerlos en contacto cuando se descarga el firmware desde el PC. Por otro lado también aísla a estos mismos pines del conector de expansión cuando se está cargando el firmware en el micro. De esta forma, se evita que, si tuviéramos un periférico unido al conector de expansión

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(J2), los niveles de tensión generados por el puerto paralelo del PC al programar el micro lleguen a dicho periférico y le afecten en alguna medida. Hay que tener en cuenta que en cuando el micro ejecuta el firmware que se le ha cargado, los pines P1.5, P1.6 y P1.7 no están directamente en el conector de expansión, si no que éstos pasan a través del HC244 que funciona en estos momentos de manera transparente. Se debe tener esto en

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cuenta a la hora de medir retrasos, continuidad, fan-outs, etc... Tampoco se pueden conectar entradas al conector J2 que vayan a parar a esos pines del micro. No podrán ser leídos.

Programador AT89S8253

Además de la placa es necesario un programa que corra en el PC que se encargue de gestionar los pines del puerto paralelo realizando la secuencia de comandos que el fabricante del microcontrolador especifica para programar el micro de forma serie sin necesidad de extraerlo de su ubicación. Este programa se encuentra en el FTP del Departamento y se puede descargar libremente. Para conocer su funcionamiento se debe consultar la ayuda del mismo.

Cables de comunicación PC-Placa El esquema de los cables necesarios se detalla en la Figura 3. Se recomienda usar una longitud máxima de 1.5m de cable en el caso del cable del programador ISP.

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Figura 4 Esquema del cable null modem y del ISP Se debe notar cómo el cable entre el PC (que sería un DTE en terminología RS232) y la placa (que también sería un DTE) tiene estructura de null-modem, ya que cruza las líneas TX y RX

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entre sí.

Se debe tener especial cuidado al situar el conector de cable plano del conector de

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expansión con la muesca hacia dentro de la placa, según indica la línea que se puede ver en la parte central del conector en el plano de situación de componentes. De no hacerse así los pines del conector de la placa con el periférico no coincidirían con los de la placa con el microcontrolador.

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Pin 1

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Figura 5 Detalles del conector para cable plano

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Figura 6 Imagen de situación del conector en una placa de ejemplo También se ha situado junto al conector de alimentación una vía etiquetada como GND para soldar un test point adicional que sirva como punto de anclaje de la masa del osciloscopio en el caso de que sea necesario.

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Listado de componentes Descripción

J1

Conector de dos vías con tornillo de sujeción

1

3089034

J2

Conector (Header) 25x2 para cable plano con retentor

1

1099262

J3

Conector Molex macho 6 vías

1

P1

Conector para circuito impreso DB9 hembra acodado

1

1084705

C1,C4,C5,C6,C7

Condensador electrolítico de 1uF/16V

5

9452400

C2,C3

Condensador cerámico 100nF

2

1100399

C9,C10

Condensador cerámico de 5.6pF

2

1138889

C8

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1360134

C. electrolítico de 1uF/16V (No montar para AT89s8253)

Y1

Oscilador de cuarzo de frecuencia 11.0592MHz

1

9713115

Q2

Transistor MOSFET BS170

1

1017687

R1, R4,R5, R8

Resistencia de 560Ώ ¼W

4

9339590

R6,R7

Resistencia de 100K ¼W

2

9339078

R10

Resistencia de 1K ¼W (No montar. Puntear para AT89s8253)

R9

Resistencia de 10K ¼W (No montar para AT89s8253)

D1

Led rojo 3mm

1

9929479

D2

Led azul 3mm

1

9929487

D3

Led verde 3mm

1

9929495

D4

Led amarillo 3mm

1

9929460

AT89s8253 en formato DIP

1

1095746

MAX232CPE en formato DIP

1

9725172

1

382267

Pulsador

2

176986

Zócalo de 40 pines

1

1101352

Zócalo de 16 pines

1

1101347

Zócalo de 20 pines

1

1101349

Conector DB25 macho

1

1084674

Funda conector DB25

1

3937975

1.5m cable seis hilos

1

1202766

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U1 U2 U3

Uds

Ref. Farnell

Ref.

74HCT244N en formato DIP Vitoria-Gasteiz

SW1, SW2

Cable programación ISP

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Hembra molex 6 vías

1

143129

Terminal crimp

6

9773789

DB9 hembra para cable

2

1084678

Funda conectar DB9

2

3937951

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1423024

Cable serie null modem

1.5m de cable

1

Placa de circuito impreso

Placa circuito impreso modelo ASD_EUIV-G v1.1 1 Se han indicado los códigos del distribuidor de componentes internacional Farnell (www.farnell.com). Realiza envíos a cualquier parte en 24h. No olvidar añadir un coste de portes de 7€. Montaje y soldadura Al estar metalizados los agujeros no debería haber ningún problema. En cualquier caso, debe de prestarse atención a la posición de los diodos leds, los condensadores electrolíticos y a los pulsadores que, ha pesar de se casi cuadrados, no lo son. Nótese cómo en la serigrafía se han fijado unas líneas verticales para indicar qué dos pines están unidos. El mayor problema está en el conector de programación ISP, ya que se deben soldar los cables a los crimp terminals al no tenerse la herramienta adecuada para ello en el laboratorio. Recomendaciones para la realización de PCBs caseros con ORCAD Finalmente y aunque no es necesario ya la realización de una placa casera, se van a dar algunas recomendaciones para la realización de prototipos con ORCAD 10.5 que pueden ser útiles

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para la realización del proyecto fin de carrera.

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Referencias para CAE

Componente

Footprint

Librería

Condensador Con Polaridad pequeño

CPCYL1/D.175/LS.100/.031

TM_CAP_P

Condensador desacoplo

RAD/.100X.100/LS.100/.031

TM_RAD

Resistencia 1/4W

AX/.500X.100/.031

TM_AXIAL

2N2222 (pads quedan un poco juntos)

TO18

TO

Condensadores lenteja

CYL/D.150/LS.100/.031

TM_CYLND

Oscilador de cuarzo

RAD/CK05

TM_RAD

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Conector cable plano 25x2 paso 1/10¨

LATCON.100/VH/TM2OES/W.350/50 LCON100T

Zócalos para DIPs

DIP100T

Conectores tipo DB9

DSUB/RS.318/TM/9 (hembra) DSUB/RP.318/TM/9 (macho)

PISTAS

DSUBT

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Dejar que solo rutee por SOLDADURA Y COMPONENTES Options->Route Strategies-Route Layer

Disable INNER1 e INNER2 en todas las modalidades

NETS Vcc y GND

35mils

Resto

25mils

PADSTACKS Definir dos, uno horizontal y otro vertical *1*

TOP: Rectangular:>W:110 H:80 BOT: Rectangular:>W:110 H:80 DRILL: Round:>80 Resto de capas no definidas

*2*

TOP: Rectangular:>W:80 H:110 BOT: Rectangular:>W:80 H:110

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DRILL: Round:>80

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Resto de capas no definidas

Para ello, con la tabla de padstacks activa, Botón derecho, New... y le damos un nombre, una forma y una dimensión... luego nos lo crea en la tabla con todas las capas. Seleccionamos las que no queremos y las 'undefined' con el botón derecho->propiedades. Las que queramos las cambiamos una a una. Para prácticamente todo tipo de componentes valen los dos ya definidos... Para conectores tipo DB9, usar 84R60 (redondo diámetro 84) Para Conector cable plano 25x2 80S56 (cuadrado 80x80)

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OBSTACLES El primero que hay que crear debe ser del tipo Board Outline y residir en capa global (Color amarillo). Dentro estará toda la placa. Para evitar que se llegue a conector por cara de componentes se pone uno de tipo Route Keepout en la capa de componentes.

VIAS

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Para fijar el tamaño de vías Tools->Vias->Modify Pastacks y en VIA1 hacerlos de diámetro 75 en TOP y BOTTOM

RUTEAR Auto->Autorute->Board Para quitar Auto->Unroute->Board

Al final... Para arreglarlo un poco Auto->Clean Up Design

IMPRIMIR Options->Post Processing Settings Elegir capa TOP, botón derecho 'Propiedades'... Elegir Print Manager, Force Black and White y Keep Drill Holes Open... Ahí se puede elegir entre centrar o desplazar en la página y meter así las dos capas... Lo mismo para la capa TOP.... Botón derecho, Propiedades y Preview para hacernos una idea... Taladrado

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En general, todos los taladros se pueden realizar con una broca de 0.7mm. excepto los de conectores de pines más gruesos como DBs o de cable plano que deben ser realizados con brocas de 1mm. Puede haber componentes o elementos de potencia como diodos que precisen de brocas de mayor diámetro. Finalmente, para la fijación de los tornillos en las cuatro esquinas de la placa y los conectores tipo DB se recomienda usar una broca de 3mm.

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Bibliografía -

Se puede consultar la documentación del proyecto fin de carrera de J.A. Benito y D. Arranz titulado Programador Remoto de la Placa AT89s8252, que fueron los diseñadores del primer prototipo así como de una primera versión del software para PC realizada en java.

-

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Proyecto de Iban Mesa y Alex Ortiz de Landaluce Sistema de Programación Remoto para microcontroladores AT89s8252 que realizaron la primera versión del programador en Visual Basic

Revisiones -

06.10.07 Primera versión

-

28.09.09 Añadida la alimentación desde USB

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5

P1

4

3

+5V

2

RX-IN 5 9 4 8 3 7 2 6 1

U2 RX_uC TX-OUT

12 9

R1OUT R2OUT

R1IN R2IN

13 8

14 7

T1OUT T2OUT

T1IN T2IN

11 10

C1+ C1C2+ C2V+ V-

1 3 4 5 2 6

DB9 MACHO CON6 6 5 4 3 2 1

+

CHK_ON RST_PC D_O_PRG D_I_PRG CLK_PRG

C1 1uF

1

VCC C2 100nF

R1

D1

560

LED ON

+5V

C3 100nF

CON2 TX_uC +

+

J4

C4 1uF

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

C5 1uF

1uF

MAX232 C6

+5V 1 2

5V regulados

+

D

J1

+

C7 1uF

J3 +5V

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 RX_uC TX_uC P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

+5V SW1 R5 560

P3.2

R8 560 INT0 SW2

D3 LED P3.7

D4 LED P3.6

P3.4

T0 J5

J6

+5V P3.7

1 2 3

P3.6

CON32A

1 2 3

+5V

C

J2 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P0.[7..0] P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

P1.[7..0]

B

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

C9 5pF

39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4/SS P1.5/MOSI P1.6/MISO P1.7/SCK

19 18

XTAL1 XTAL2

EA RST_uC

31 9

EA/VPP RST

+5V

40

VCC

Y1 11.0592MHz C10 5pF

U1

R7 +5V

EA

P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15

21 22 23 24 25 26 27 28

P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD

10 11 12 13 14 15 16 17

ALE/PROG PSEN

30 29

EA ALE

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

RX_uC TX_uC

P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

VDD 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

+5V

D2 LED PROGRAMACION

ACT_PRG Q2 BS170

RST_PC

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

U3 CLK_PRG D_O_PRG P1.6

+5V

P3.[7..2] CONN PCB 25x2-S

ALE

GND

R4 560

R6 ACT_PRG 100K TP1

2 4 6 8 11 13 15 17

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8

1 19

1OE 2OE

+5V Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8

74HCT244

1

18 16 14 12 9 7 5 3

P1.7 P1.5 D_I_PRG CHK_ON

+

C8 1uF RST_uC

R10 1k

R9 10k

EN CASO DE LLEVAR AT89S8253 NO HAY QUE MONTAR R9 NI C8 Y R10 SE DEBE SUSTITUIR POR UN PUENTE

TEST POINT

AT89S8252

A

A 100K Title Tarjeta para Ampliación de Sistemas Digitales Size A4 Date:

Document Number AT89s8253 Wednesday, March 21, 2007

Rev 1.0 Sheet

1

of

1

5

4

3

2

1

D

D

DB9 HEMBRA 1 6 2 7 3 8 4 9 5

C

DB9 HEMBRA 1 6 2 7 3 8 4 9 5

RX-IN para PC - TX-OUT para uC TX-OUT para PC - RX-IN para uC

P1

C

P2

P3 13 25 12 24 11 23 10 22 9 21 8 20 7 19 6 18 5 17 4 16 3 15 2 14 1

B

BUSY - DT_IN_PROG D_O_PRG

/ACK - CHECK ON PLACA

RST_PC

CHK_ON

D7 - DT_OUT_PROG

CON6

6 5 4 3 2 1

B

J3 D_I_PRG

CLK_PRG

D2 - CLK_PROG D1 - RESET_PLACA

A

A

DB25 MACHO Title CABLES PLACA PRÁCTICAS AT89S8253 Size A Date: 5

4

3

Document Number Monday, March 26, 2007 2

Rev 1.0 Sheet

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