E&E E&E. Elettronica E&E. Elettronica. Per il secondo biennio. Edizione Riforma. Scienze e Tecnologia. E. Cuniberti L. De Lucchi.

Transcript

1 E&E_b_pack_Layout 0// 5.44 Pagina Il corso B COMPOSIIONE DEL CORSO Volume A + Volume B + DVD-Rom ISBN E&E Offline Volume A + Volume B + DVD-Rom ISBN B Edizione Riforma Online Su materiali di aggiornamento e di approfondimento Volume 3A + Volume 3B + DVD-Rom i ar A ic IC.V N E O m s TR Ro ha T ac LE VD.B E D 5 P E + et A B 739 am IC e -. J N m 94 -C EC lu -4 I 8 N o M OT V -8 RI 8 T + ni ni TR A 97 PE N Bo T F. LE e ISB G. E um E ol E& V Questo volume, sprovvisto del talloncino a lato, è da considerarsi copia di SAGGIOCAMPIONE GRATUITO, fuori commercio (vendita e altri atti di disposizione vietati: art. 7, c., L. 633/94). Fuori campo applicazione I.V.A. (D.P.R. 6/0/7, n. 633, art., 3 co, lett. d.) Elettronica Il DVD-ROM per lo studente contiene: note applicative e di approfondimento, attività di laboratorio, simulazioni dei circuiti in ambiente Multisim e OrCAD/PSpice, fogli tecnici, materiali didattici aggiuntivi (esercizi svolti, strumenti per la preparazione all interrogazione), glossario, link utili E. Cuniberti L. De Lucchi Un corso nuovo per una nuova disciplina che associa in un contesto unico le basi dell Elettrotecnica e quelle dell Elettronica Perfettamente aderente alle linee guida della Riforma Aggiornato nei contenuti e attento a presentare tutte le innovazioni tecnologiche applicate in campo industriale (microcontrollore, PLC, hardware open source Arduino) La didattica è finalizzata al raggiungimento delle competenze di base Elettronica Scienze e Tecnologia E&E 4 mm E&E Elettrotecnica e Elettronica Volume A + Volume B + DVD-Rom (3 elementi indivisibili) Prezzo di vendita al pubblico 30,00 (defiscalizzato 8,85) IN PREPARAIONE Scienze e Tecnologia E. Cuniberti L. De Lucchi Elettronica E&E B Per il secondo biennio DVD ROM Edizione Riforma

2 La Casa Editrice è certificata da internet: In conformità alla norma UNI EN ISO 900:008 per l attività di «Progettazione e realizzazione di prodotti per l editoria scolastica» (certificato n ) Redattore responsabile: Redazione: Tecnico responsabile: Copertina: Realizzazione: Disegni: Art Director: Monica Martinelli puntoacapo (Claudia Bruno, Paola Gonella) Riccardo Massaro Simona Corniola A.G.E. Leprechaun Nadia Maestri Proprietà letteraria riservata 0 De Agostini Scuola SpA Novara ª edizione: gennaio 0 Printed in Italy Foto di copertina: PHOTOS.COM Le fotografie di questo volume sono state fornite da: istockphoto L Editore dichiara la propria disponibilità a regolarizzare eventuali omissioni o errori di attribuzione. In questo libro, occasionalmente, sono riportati nomi di prodotti e ditte che possono essere marchi registrati. Pertanto la loro citazione compare esclusivamente per scopi didattici senza voler dare un giudizio, di valore o di merito, né consigliarne o sconsigliarne l acquisto. Nel rispetto del DL 74/9 sulla trasparenza nella pubblicità, le immagini escludono, ogni e qualsiasi possibile intenzione o effetto promozionale verso i lettori. Tutti i diritti riservati. Nessuna parte del materiale protetto da questo copyright potrà essere riprodotta in alcuna forma senza l autorizzazione scritta dell Editore. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 5% di ciascun volume/fascicolo di periodico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, comma 4, della legge aprile 94 n.633. Le riproduzioni ad uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 5% del presente volume/fascicolo, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO Corso di Porta Romana, 08 0 Milano aidro@iol.it; Eventuali segnalazioni di errori, refusi, richieste di chiarimento di funzionamento tecnico dei supporti multimediali del corso o spiegazioni sulle scelte operate dagli autori e della Casa Editrice possono essere inviate all indirizzo di posta elettronica scrivi@scuola.com Stampa: La Grafica Boves (CN) Ristampa: Anno:

3 o o f f s o f s o f Presentazione Indice L attuale ordinamento degli Istituti Tecnici con indirizzo «Elettronica ed Elettrotecnica», impone una nuova impostazione della didattica e un conseguente rinnovamento dei testi scolastici. Occorre offrire materiali duttili che consentano la massima flessibilità nelle scelte in relazione all Area di indirizzo, con le relative articolazioni, per rispondere alle richieste del territorio, del mondo del lavoro e delle professioni. È necessario inoltre introdurre i componenti, le tecnologie e i metodi più aggiornati che si sono ormai imposti nel campo Elettrotecnica - Elettronica. È, infine, importante sfruttare le potenzialità offerte dai moderni strumenti informatici sia ponendo in evidenza le tecniche di progettazione con dispositivi programmabili sia fornendo materiali fruibili in forma multimediale (DVD, supporto on line). Per garantire un ampia libertà nella scelta delle tematiche da trattare e da approfondire, coerentemente con le competenze richieste per i diversi profili, i contenuti dell opera sono stati raggruppati in due tomi distinti, Elettrotecnica ed Elettronica. I volumi B di Elettronica forniscono un quadro informativo completo delle tematiche attuali dell elettronica digitale, analogica e programmabile, di cui si sottolineano gli aspetti innovativi ed evolutivi, senza trascurare un continuo ed essenziale confronto degli elementi teorici con i risvolti pratici e le situazioni reali. Parallelamente l insegnante potrà rivolgersi al volume A di Elettrotecnica dove troverà gli argomenti più spiccatamente elettrotecnici come i teoremi delle reti elettriche, il campo elettrico ecc. svolti in maniera più estesa e graduale. Lo sviluppo degli argomenti di base, con numerosi esempi esplicativi, è lineare, la forma è agile, chiara ed essenziale. Alcuni aspetti più specialistici sono stati raccolti nelle Note Applicative e di Approfondimento (NA) disponibili sul DVD allegato e on line. Si ha così a disposizione uno strumento di studio flessibile con più livelli di lettura, adattabili ai diversi interessi e alle diverse esigenze di approfondimento. L apparato didattico comprende la definizione, per ogni Unità, dei prerequisiti e degli obiettivi che lo studente potrà conseguire in termini di conoscenze e abilità per sviluppare le competenze previste dai diversi profili. In sintesi: tutte le Unità concorrono a sviluppare la competenza ad applicare nello studio e nella progettazione di apparecchiature elettroniche i procedimenti dell Elettronica; l impostazione e l approfondimento delle tematiche mirano allo sviluppo della competenza nell analizzare tipologie e caratteristiche tecniche delle apparecchiature elettroniche, con riferimento ai criteri di scelta per la loro utilizzazione e interfacciamento; le numerosissime attività di laboratorio proposte per ciascuno degli argomenti trattati nella teoria offrono l occasione di utilizzare la strumentazione di laboratorio e di settore e applicare i metodi di misura per effettuare verifiche, controlli, progetti e collaudi; la struttura e i contenuti delle schede di laboratorio, oltre che materiali di consultazione disponibili su DVD, offrono spunti per redigere relazioni tecniche e documentare le attività individuali e di gruppo relative a situazioni professionali; le Unità che trattano componenti programmabili, infine, introducono all uso di linguaggi di programmazione, di diversi livelli (assembly e C/C ++ ), riferiti ad ambiti specifici di applicazione. Particolarmente ricca è la dotazione di esercizi, interamente svolti e di difficoltà crescente, su tutti gli argomenti trattati; alcuni esercizi vengono proposti senza la soluzione completa, che può essere controllata alla fine del Volume. Per ogni Unità viene proposto un test utile per mettere a fuoco alcuni concetti e per l autoverifica (le risposte sono in fondo al Volume). Per ogni Unità, inoltre, è fornita una scheda di sintesi finale, in inglese (Summary/Sommario), con testo a fronte in italiano, per favorire l apprendimento del lessico specifico e della corretta terminologia nell ambito elettronico oltre a un approccio interdisciplinare nello studio. UNITÀ Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino. Impiego del microcontrollore. Struttura e caratteristiche del PIC 6F84A.3 Registri di uso speciale.4 Istruzioni.5 Schemi hardware di base.6 Procedure software di base.7 Un applicazione: progetto di un frequenzimetro.8 Programmare con Arduino.9 Le librerie di Arduino.0 Arduino e Processing Contenuti LAB. Realizzazione di un frequenzimetro LAB.4 Voltmetro a due canali multimediali LAB. Scrittura su display lcd LAB.5 Controllo da pc di led rgb LAB.3 Lettura di tastiera esadecimale Prerequisiti > Fondamenti dell Elettronica digitale, cablata e programmabile > Integrati digitali di tipo combinatorio e sequenziale > Memorie, microprocessori e microcontrollori > Conoscenze elementari di programmazione Competenze > Conoscenze Struttura e istruzioni del microcontrollore, con riferimento al PIC 6F84A e alla scheda Arduino Uno Schemi hardware di base e procedure software generali Analisi di applicazioni scelte basate sul PIC 6F84A Summary Uso della scheda Arduino: Funzioni, Librerie, Processing, Applicazioni Sommario 9 > Abilità Programmare in assembly e in C The operational Programmare amplifier con is la a scheda multi-stage, Arduino direct-coupled amplifier Realizzare having hardware ideally: e amplification software di progetti A OL = 3, anche complessi con accoppiamento basati sul in continua nc che, idealmente, presenta: L amplificatore operazionale è un amplificatore a più stadi input resistance R i = 3, output resistance R o = 0, bandwidth BW = 3. resistenza di uscita R o = 0, larghezza di banda BW = 3. amplificazione A OL = 3, resistenza di ingresso R i = 3, It has two input terminals, inverting (-) and non-inverting (+), between which a differential input voltage non invertente (+), fra i quali si determina una tensione Dotato di due terminali di ingresso, invertente (-) e v i = v - - v + is determined, and in output has a voltage di ingresso differenziale v i = v - - v +, presenta in uscita expressed by una tensione espressa dalla relazione v o = A OL (v + - v -) or v o =- A OLv i v o = A OL (v + - v -) ossia v o =- A OLv i It generally requires a dual power supply!v. Its output Richiede generalmente alimentazione duale!v. La sua dynamic is limited between the saturation voltages V sat dinamica di uscita è limitata fra le tensioni di saturazione V sat e -V sat. and V sat. In open loop form, the operational amplifier only operates linearly for very low values of v i (since A OL = 3) un funzionamento lineare solo per valori piccolissimi Ad anello aperto l amplificatore operazionale presenta and is therefore used as a voltage comparator. di v i (essendo A OL = 3) e viene quindi utilizzato come comparatore di tensione. In a closed loop configuration, that is when inserted in Ad anello chiuso, ossia inserito in una rete di reazione negativa, l amplificatore operazionale consente a negative feedback network, the operational amplifier can be used to form linear circuits with stable gain and di realizzare circuiti lineari con guadagno stabile e depending only on external passive elements. In a linear dipendente solo da elementi passivi esterni. In zona zone, a virtual short circuit is considered to be present lineare si considera che fra gli ingressi sia presente un between the inputs so the following approximations are cortocircuito virtuale ovvero si considerano valide le considered valid seguenti approssimazioni i + = i - =0 v i + = i - i =0 =0 v i =0 The fundamental configurations of the operational Le configurazioni fondamentali dell amplificatore operazionale in funzionamento lineare con le relative amplifier in linear operation with the relative expressions of the relations between inputs and output are espressioni delle relazioni fra ingressi e uscita sono shown in fig.. illustrate in fig.. The operational amplifier has some particularly important applications, such as the current-voltage converter dell operazionale come convertitore corrente-tensione Particolarmente importanti sono le applicazioni and the voltage-current converter. e convertitore tensione-corrente. R f R f R R v s v o v o v o v s + + v + v o = v s s R v = Buffer R v R v = + R v Amplificatore invertente Amplificatore non invertente R f R R f R v R R v R R v o v v o v o R v + + v + R v v R v v v R f v = ( v R v v v R ) = + o = + R R fig. Sommatore invertente Sommatore non invertente Amplificatore differenziale UNITÀ E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara III

4 v i v t t Indice Grande importanza è attribuita alle attività di laboratorio (LAB). La ricca documentazione è disponibile su DVD o on line in formato pdf cosicché possa essere agevolmente consultata e utilizzata. Schede sintetiche presentano gli strumenti di base che verranno usati. Le schede LAB descrivono esercitazioni sia di verifica sia di progetto puntualmente correlate con gli argomenti trattati nelle Unità di teoria, scelte fra quelle più significative per evidenziare problematiche realistiche con effettivi riscontri applicativi. Le proposte di lavoro sono sempre formulate in modo chiaro e immediato e sono accompagnate da indicazioni sullo svolgimento, da osservazioni e da quesiti di approfondimento. Nell ambito del laboratorio, uno spazio rilevante è riservato alle possibilità offerte dalla simulazione dei circuiti; questa può precedere una fase di realizzazione o consentire un analisi approfondita del funzionamento di un circuito o, in certi casi, sostituire la realizzazione vera è propria. Per rendere più agevole il lavoro dello studente, sono forniti i file di simulazione dei circuiti proposti nelle schede LAB, che possono essere usati con il programma Multisim. In alternativa, si offrono strumenti ed esempi di simulazione eseguite con OrCAD/PSpice. Contenuti multimediali I DVD allegati ai volumi arricchiscono il corso con una varietà di materiali: Note Applicative e di Approfondimento (NA); schede LAB; note di laboratorio sugli strumenti di base (LAB Strumenti); un ricco archivio di fogli tecnici relativi a tutti i componenti da usare nelle le attività di laboratorio e ad altri componenti particolarmente interessanti; Note per la documentazione con suggerimenti e proposte per redigere relazioni tecniche; file di simulazione (con estensione msm e ms8) dei circuiti proposti nelle attività di laboratorio, con estensioni e ampliamenti, da utilizzare con il programma Multisim; file di esempio di circuiti di particolare interesse con la relativa simulazione da eseguire con OrCAD/PSpice; presentazioni in formato pps di argomenti scelti; programmi di utilità; un glossario con i principali termini della disciplina; ciascun termine è anche tradotto in inglese ed enunciato con la corretta pronuncia. un elenco di link utili. _ I file eseguibili relativi alle applicazioni con microcontrollori PIC e Arduino sono disponibili su richiesta alla Casa Editrice. Voltmetro a due canali Questa esercitazione propone la realizzazione di un voltmetro digitale in grado di misurare due tensioni analogiche variabili da 0 a 5 V con risoluzione 0 bit. L unità di visualizzazione è un display LCD alfanumerico. L attività è finalizzata all utilizzo del convertitore AYD della scheda Arduino e all impiego delle funzioni della libreria LiquidCrystal per la gestione dell LCD. Componenti Strumenti Potenziometri 0 giri... # 5 kx Trimmer... 5 kx Scheda con nc... Arduino Uno Modulo con display LCD Aiutandosi con Help"Reference del programma Arduino descrivere le principali caratteristiche del modulo ADC della scheda Arduino Uno. Quindi analizzare il circuito di fig. e, dopo averlo compreso, realizzarlo. Il microcontrollore che gestisce la scheda Arduino Uno è dotato di un convertitore analogico-digitale (ADC) con 6 ingressi (canali) selezionabili attraverso un multiplexer analogico (AMUX). I canali d ingresso sono accessibili dai pin A 0 ' A 5 della scheda e la loro selezione avviene via software mediante la funzione analogread (pin), dove il parametro pin indica il canale che si vuole acquisire. Il parametro pin può essere espresso da un valore numerico da 0 a 5 oppure, in modo simbolico, da A 0, A,..., A 5. Per esempio, per acquisire il valore di tensione presente sull ingresso A 3 e assegnarlo alla variabile Var_CH3 si scriverà: Var_CH3 = analogread (3) oppure Var_CH3 = analogread (A3) LAB.4 Note per la documentazione fig. La documentazione, sia nelle varie fasi di sviluppo di un progetto sia nello svolgimento di una semplice esperienza di laboratorio, è di fondamentale importanza; consente infatti di raccogliere le informazioni che via via si assumono sull attività in corso e, soprattutto, di trasferirle e condividerle con altri membri del gruppo di lavoro. Fonti di documentazione. Uno dei fattori determinanti per lo sviluppo di progetti, e in particolare per la scelta di soluzioni circuitali tecnologicamente aggiornate e adeguate alle specifiche, è la disponibilità di una ricca documentazione tecnica (testi scientifici, riviste e pubblicazioni varie, note applicative, cataloghi, raccolte di dati tecnici dei componenti) ordinatamente classificata e periodicamente aggiornata. L uso di Internet e la diffusione di documentazione in formato digitale su CD e DVD costituiscono sicuramente un grande vantaggio in questo senso; occorre però saper utilizzare questi strumenti in modo critico, selezionando con cura le informazioni effettivamente utili e affidabili. Relazione. La documentazione da produrre consiste sostanzialmente in una relazione descrittiva, sotto diverse forme, cartacea o multimediale, strutturata in funzione dell utilizzo e corredata di vari elementi quali: schemi a blocchi; schemi circuitali; schemi di cablaggio e disegni di assemblaggio; elenco componenti; fotografie e filmati; grafici, diagrammi e tabelle; risultati di simulazione; procedura di collaudo; manuali d uso. Principali obiettivi devono essere la chiarezza e la coerenza evitando relazioni prolisse e banali. Nella stesura delle parti descrittive ci si avvale normalmente di programmi di scrittura (Word, Works o altro), che consentono di produrre testi eleganti e ben strutturati oltre a permetterne la memorizzazione, la modifica e la stampa. Per le relazioni in forma multimediale sono disponibili numerosi prodotti (Power Point, Front Page, Flash ecc.) con i quali si realizzano presentazioni agili, ricche di contenuti, ipertestuali, interattive e facilmente trasferibili anche sul web. Schemi a blocchi. Gli schemi a blocchi sono essenziali per rappresentare sinteticamente sia le specifiche di un progetto sia la funzionalità di un sistema; assumono varie forme e presentano diverse caratteristiche a seconda delle finalità per cui vengono costruiti. Modello del diodo per piccoli segnali I modelli approssimati (vedi par. 5.3 del Volume) si adattano all analisi di circuiti in cui il segnale applicato compie ampie escursioni, che portano il diodo a lavorare alternativamente nei due stati ON e OFF. Nel circuito illustrato in fig. a, alla tensione continua V AA, che mantiene in polarizzazione diretta il diodo, è sommato un segnale v s (t) = V sm sen ~t la cui ampiezza V sm è molto inferiore a V AA. Il diodo è sempre in stato ON e la tensione v i (t) complessiva applicata all anodo risulta v i (t) = V AA + v s (t) = V AA + V sm sen ~t [] con i rispettivi valori estremi V AA + V sm e V AA - V sm e un valore medio V AA. Si può dunque tracciare sulla curva caratteristica del diodo la retta di carico, che interseca gli assi nei punti v = V AA e i = V AA YR L, individuando il punto di lavoro statico Q. Come si vede in fig. b, la variazione della tensione applicata v i consente di tracciare altre rette di carico, in particolare quelle che individuano i punti di lavoro estremi Q e Q corrispondenti rispettivamente ai valori massimo e minimo della tensione di ingresso. Graficamente si ricavano l andamento della corrente nel diodo e quello della tensione v ai suoi capi. La corrente è costituita da una componente continua I Q a cui è sovrapposto il segnale sinusoidale i s (t) cosicché si ottiene i = I Q + i s (t) = I Q + I sm sen ~t [] L eq. [] deriva dal fatto che la caratteristica del diodo nel tratto compreso fra i punti Q e Q può essere V AA R L I Q i Q Q Q approssimata con una retta con pendenza uguale a quella della caratteristica stessa nel punto Q. Infatti in questo tratto limitato il diodo si comporta in modo lineare e si verifica la sovrapposizione degli effetti di V AA e v s. La componente i s (t) dovuta al generatore v s (t) può essere determinata, anziché graficamente, anche analiticamente utilizzando il circuito equivalente dinamico illustrato in fig. a; qui il generatore che fornisce la componente continua è stato annullato ed è presente solo il generatore di segnale. Il diodo è stato sostituito dalla resistenza r d detta resistenza dinamica o differenziale o incrementale. Essa rappresenta l inverso della pendenza (Ytg a) della caratteristica nel punto di lavoro Q ed è espressa dalla relazione dv Dv rd = - [3] di D i Il valore di r d può essere ricavato, oltre che analiticamente derivando l eq. [5.b] (vedi pag. 60 del Volume) della curva caratteristica, anche con procedimento grafico (fig. b) considerando anziché variazioni infinitesime, le variazioni finite della tensione (Dv) e della corrente (Di) nell intorno del punto di lavoro Q. Ovviamente il valore di r d dipende dal punto di lavoro prescelto e sarà tanto più ridotto quanto più la curva caratteristica è verticale; valori tipici sono da qualche ohm a poco più di 0 X. i I Q t NA 5. fig. (a) Circuito a cui è applicato un segnale sovrapposto a una componente continua. (b) Determinazione grafica della corrente nel diodo. Petrini 0 - De Agostini Scuola SpA - Novara La fig. riporta la struttura semplificata del modulo ADC. Il convertitore AYD è a 0 bit. Questo significa che applicando a uno degli ingressi selezionati una tensione V i variabile fra 0 V e V ref, l ADC restituirà un valore numerico N compreso fra a 0 e 03 (= 0 - ). La relazione fra la tensione di ingresso V i e il dato N restituito dall ADC è data da: Vref Vi = N [] 04 Per esempio, con V ref = 5 V e N = 750 si ha 5 Vi = 750, 3,66 V 04 La più piccola variazione di V i che l ADC è in grado di convertire è detta risoluzione (Q) e vale: Q V ref = = 0, 0049 = 4, 9mV [] 04 Utilizzando l eq. [], la relazione [] può essere scritta come: V i = Q # N [3] Petrini 0 - De Agostini Scuola SpA - Novara Schemi circuitali. Benché le tecniche e gli strumenti CAD (Computer Aided Design), e in particolare il disegno mediante computer, si siano ormai solidamente affermati, il disegno realizzato «a mano» conserva la sua valenza specialmente nelle fasi di impostazione di un lavoro. Occorre quindi, per quanto possibile, attenersi alle regole normalizzate e utilizzare simboli conformi agli standard definiti dagli appositi Comitati internazionali. I programmi disponibili per il disegno di schemi circuitali mediante computer sono assai numerosi e vengono continuamente aggiornati per integrare altre funzioni utili. In particolare tutti i prodotti comprendono un modulo per la simulazione o per la generazione del layout per il circuito stampato. Fra i principali si possono citare: Electronics Workbench/Multisim; OrCAD; Eagle. Schemi di cablaggio. Per documentare la fase di realizzazione di un circuito solitamente si riportano gli schemi di cablaggio, che assumono diverse forme a seconda della tecnica realizzativa del circuito stesso e degli strumenti a disposizione. Alcuni programmi (p. es. Multisim, Fritzing ecc.) consentono di rappresentare circuiti su bread-board o montaggi su basetta di rame. Se viene realizzato il circuito stampato si può allegare il layout della scheda con i tracciati delle piste. Petrini 0 - De Agostini Scuola SpA - Novara v s (t) V AA + + v i v (a) i R L V Q V AA V sm V AA V AA + V sm v (b) IV E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

5 Indice Unità Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino. Impiego del microcontrollore.... Struttura e caratteristiche del PIC 6F84A Registri di uso speciale Istruzioni Schemi hardware di base....6 Procedure software di base Un applicazione: progetto di un frequenzimetro Programmare con Arduino Le librerie di Arduino Arduino e Processing... 3 Summary Esercizi Verifica delle competenze Unità Reti elettriche e segnali sinusoidali. Reti ed elementi elettrici Elementi in serie e in parallelo Reti elettriche in regime continuo Teoremi delle reti elettriche Tipi di segnale Rappresentazione di grandezze sinusoidali 65.7 Resistenza, capacità, induttanza in regime sinusoidale Soluzione di reti elettriche in regime sinusoidale 7.9 Potenze... 7 Summary Esercizi Verifica delle competenze Unità 3 Risposta nel dominio del tempo 3. Carica e scarica del condensatore Carica e scarica dell induttore Circuiti a resistenza e capacità La trasformata di Laplace Antitrasformata Analisi circuitale Risposta di un circuito RCL Summary Esercizi... Verifica delle competenze... 0 Unità 4 Analisi nel dominio della frequenza 4. Segnali periodici e componenti armoniche Quadripoli e trasferimento di energia Funzione di trasferimento e risposta in frequenza Diagrammi di Bode Risposta in frequenza di circuiti RC ed RL Circuiti risonanti Summary Esercizi Verifica delle competenze Unità 5 Diodi e applicazioni 5. Materiali semiconduttori Il diodo a semiconduttore Il diodo come elemento circuitale Circuiti raddrizzatori Circuiti limitatori Applicazioni dei diodi Il diodo ener Altri tipi di diodi Summary Esercizi Verifica delle competenze E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara V

6 Indice Unità 6 Transistore bipolare (bjt) 6. Struttura e funzionamento del bjt Comportamento circuitale del bjt Curve caratteristiche del bjt one di funzionamento del bjt Il bjt come interruttore Il bjt in funzionamento lineare Il bjt come amplifi catore di segnale Modello del bjt per piccoli segnali Confi gurazioni amplifi catrici fondamentali Modello equivalente del bjt in alta frequenza... 6 Summary... 0 Esercizi... Verifica delle competenze... 3 Unità 7 Transistori a effetto di campo (fet) 7. Il jfet: struttura e funzionamento Caratteristiche e parametri statici Il jfet come interruttore Polarizzazione del jfet Il jfet come amplifi catore di segnale Configurazioni amplificatrici fondamentali Il mos: struttura e funzionamento Modi di operare del mos Summary Esercizi Verifica delle competenze Unità 8 Amplificatori di segnale 8. Classifi cazione e parametri degli amplifi catori Amplifi catori multistadi Amplifi catore differenziale Risposta in frequenza degli amplifi catori Risposta alle basse frequenze Risposta alle alte frequenze Comportamento in transitorio e banda passante Summary... 9 Esercizi Verifica delle competenze Unità 9 Amplificatori operazionali 9. L amplifi catore operazionale Funzionamento ad anello aperto Funzionamento ad anello chiuso Convertitori IYV e VYI Caratteristiche degli amplifi catori operazionali reali Compensazione in frequenza Integratore e derivatore Amplifi catori logaritmici Amplifi catori operazionali e diodi Amplifi catori con singola alimentazione Comparatori Applicazioni scelte Summary Esercizi Verifica delle competenze Unità 0 Reazione 0. La reazione Proprietà della reazione negativa Confi gurazioni degli amplifi catori controreazionati Risposta in frequenza di un amplifi catore reazionato Stabilità in frequenza di un amplifi catore reazionato Summary Esercizi Verifica delle competenze Soluzioni Indice analitico VI E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

7 UNITÀ Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino. Impiego del microcontrollore. Struttura e caratteristiche del PIC 6F84A.3 Registri di uso speciale.4 Istruzioni.5 Schemi hardware di base.6 Procedure software di base.7 Un applicazione: progetto di un frequenzimetro.8 Programmare con Arduino.9 Le librerie di Arduino.0 Arduino e Processing Contenuti multimediali LAB. Realizzazione di un frequenzimetro LAB. Scrittura su display lcd LAB.3 Lettura di tastiera esadecimale LAB.4 Voltmetro a due canali LAB.5 Controllo da pc di led rgb Prerequisiti Competenze > Fondamenti dell Elettronica digitale, cablata e programmabile > Integrati digitali di tipo combinatorio e sequenziale > Memorie, microprocessori e microcontrollori > Conoscenze elementari di programmazione > Conoscenze Struttura e istruzioni del microcontrollore, con riferimento al PIC 6F84A e alla scheda Arduino Uno Schemi hardware di base e procedure software generali Analisi di applicazioni scelte basate sul PIC 6F84A Uso della scheda Arduino: Funzioni, Librerie, Processing, Applicazioni > Abilità Programmare in assembly e in C Programmare con la scheda Arduino Realizzare hardware e software di progetti anche complessi basati sul nc E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

8 UNITÀ Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino La diffusione del microcontrollore (nc) ha contribuito in modo determinante a quella «svolta» che negli anni 90 ha caratterizzato lo sviluppo dell Elettronica favorendone la penetrazione sistematica in tutti i settori della tecnologia, dai più sofisticati quali le telecomunicazioni e la robotica, ai più familiari e comprensibili quali la domotica. Conseguentemente una svolta di analogo impatto si è verificata nell arte della progettazione, cioè nel modo di «fare elettronica». Soluzioni circuitali raffinate, messe a punto per risolvere problemi progettuali complessi, molto spesso sono rese obsolete dall impiego di questo componente. Nella progettazione con il nc la ricerca di soluzioni brillanti tende infatti a trasferirsi prevalentemente dall ambito dell hardware a quello del software o meglio del firmware. La grande novità del microcontrollore è stata quella di estendere il potente apporto del software al vasto campo dell Elettronica diffusa, facendolo uscire dall ambito specialistico della scienza dei computer. Il binomio hardware e software al giorno d oggi caratterizza ormai tutte le apparecchiature elettroniche, dai sofisticati videofonini di tendenza alla modesta lavatrice di casa. Occorre quindi che il tecnico elettronico conosca a fondo entrambi questi aspetti della moderna progettazione e sia in grado di gestirli con competenza. microcontrollore È un circuito integrato costituito da una cpu, da memoria di programma prom, da memoria dati ram, da linee di, da timer e da periferiche di vario tipo. programma Il firmware, scritto al pc, viene scaricato in forma di codice oggetto nella memoria di programma del nc tramite un apposito programmatore. fig.. Struttura generale del microcontrollore.. Impiego del microcontrollore Il microcontrollore (nc) è un vero e proprio elaboratore (fig..) dotato di una potente cpu (central processing unit: unità centrale di elaborazione), di memoria di programma non volatile (prom) e di memoria dati ram, caratterizzato da un elevato numero di linee di ingresso-uscita raccolte in port (o porte) per il controllo dell ambiente esterno, da unità di temporizzazione (timer) e da periferiche di vario tipo per il trasferimento di dati e l elaborazione di segnali. Il tutto racchiuso nelle ridotte dimensioni di un normale circuito integrato. Il programma, scritto e assemblato al computer, tramite un apposito dispositivo programmatore viene caricato come codice oggetto nella memoria di programma del nc. Questa può essere di tipo prom e in tal caso i microcontrollori sono detti OTP (one time programmable), ossia programmabili una sola volta, oppure può essere di tipo riprogrammabile, in particolare E PROM o FLASH. È chiaro che in fase di sviluppo o per piccole serie vengono preferiti microcontrollori con memorie riprogrammabili. La memoria dati RAM, strutturata in registri, consente di immagazzinare i dati e di elaborarli. Ed è proprio nella efficiente utilizzazione e nella corretta gestione dei registri che si concentra gran parte del lavoro di programmazione del progettista. Le linee di sono a loro volta i mezzi che rendono possibile il collegamento elettrico ai dispositivi esterni con cui il nc deve interfacciarsi. È evidente che il numero di queste linee è un parametro importante per valutare la potenza del microcontrollore. Almeno un unità di temporizzazione è sempre presente nel microcontrollore; la sua utilità nella gestione Memoria di programma Memorie dati Port di I/O CPU Timer Periferiche temporale degli eventi è fondamentale. La dotazione di unità periferiche infine caratterizza in modo marcato il controllore, ne determina il campo di impiego ed è un indice della sua flessibilità e delle sue possibilità applicative. Porte per la trasmissione seriale usart, i c, spi, porte usb, porte di trasmissione a radiofrequenza sono ormai in dotazione di molti microcontrollori. A queste periferiche si deve ancora aggiungere la dotazione di comparatori analogici, convertitori analogicodigitali, generatori PWM ecc., che allargano ancor più le potenzialità del nc. E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

9 . Struttura e caratteristiche del PIC 6F84A fig.. Il microcontrollore PIC 6F84A della Microchip. Le caratteristiche peculiari di questo innovativo componente in definitiva possono essere sintetizzate in: elevata potenza di elaborazione dei dati; estesa capacità di controllo sui dispositivi esterni; ridotte dimensioni e grande flessibilità, che consentono soluzioni hardware semplici e compatte; facilità di programmazione, supportata da sistemi di sviluppo completi e potenti. Tutto questo spiega il grande successo e la vasta diffusione dei microcontrollori nella moderna progettazione elettronica. Sul mercato sono disponibili nc di tutti i tipi, dai più semplici ed essenziali in contenitori da 8 pin ai più complessi forniti di ogni tipo di periferica per arrivare infine ai potenti DSC (digital signal controller) adatti a elaborare in tempo reale segnali audio e video. Molte delle principali Case costruttrici di semiconduttori offrono sul mercato le loro famiglie di microcontrollori: Intel, NEC, Toshiba, Philips Semiconductors, Texas Instruments, Atmel con gli AT Mega, ilog con il suo 8, ST Microelectronics con l ST7 e derivati, Microchip Technology con le varie famiglie PIC. Nella prima parte di questa Unità si farà riferimento al classico PIC 6F84A della Microchip (fig..) e nella seconda parte alla scheda Arduino Uno, costruita intorno al nc ATmega 38 della Atmel. Entrambi i dispositivi sono stati presentati e ampiamente trattati nel Volume, rispettivamente nelle Unità 0 e.. Struttura e caratteristiche del PIC 6F84A Il PIC 6F8A è un microcontrollore di fascia media dotato di un set di 35 istruzioni da 4 bit, che tratta dati da 8 bit ed è provvisto di memoria programma da K e di 68 registri dati. Presenta inoltre 3 linee di ingresso-uscita ed è in grado di sentire interrupt di diversa origine. E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara PIC 6F84A È dotato di una memoria programmata di K, di una memoria dati di 68 registri da 8 bit, di un timer e di 3 linee di. 3

10 UNITÀ Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino.. Disposizione dei terminali Nella versione in contenitore DIP il PIC 6F84A si presenta con la disposizione dei terminali illustrata in fig..3a. La descrizione dei suoi 8 pin, raggruppati secondo lo schema funzionale di fig..3b, viene fornita nella tab... fig..3 (a) Pin-out e (b) schema funzionale. V DD RA RA3 RA4/T0CK MCLR V SS RB0/INT RB RB RB PIC 6F84A (a) 8 7 RA RA0 6 5 OSC/CLKIN OSC/CLKOUT 4 V DD 3 RB7 RB6 RB5 0 RB4 MCLR OSC/CLKIN OSC/CLKOUT PIC 6F84A 5 7 RA0 8 RA RA RA3 3 RA4 6 RB0 7 RB 8 RB 9 RB3 0 RB4 RB5 RB6 3 RB7 PortA PortB (b) V SS tab.. Terminali del PIC 6F84A. Nome n. YP Buffer Descrizione V DD 4 V SS 5 P P Alimentazione positiva. Riferimento di massa GND. RA0 RA RA RA3 RA4YT 0CKI ttl ttl ttl ttl st Port A con 5 linee di tipo bidirezionale. Può essere selezionata come ingresso di clock per TMR0. Come uscita è di tipo open drain (drain aperto). RB0YINT RB RB RB3 RB4 RB5 RB6 RB ttlyst ttl ttl ttl ttl ttl ttlyst ttlyst Port B con 8 linee di tipo bidirezionale. Può essere selezionata anche come linea di interrupt. Linea di interrupt sul cambio di livello. Linea di interrupt sul cambio di livello. Linea di interrupt sul cambio di livello. In fase di programmazione è l ingresso di clock, di tipo st. Linea di interrupt sul cambio di livello. In fase di programmazione è l ingresso dati, di tipo st. MCLR 4 IYP st Master clear (reset) attivo basso. In fase di programmazione gli viene applicata la tensione di programmazione. OSCYCLKIN OSCYCLKOUT 6 5 I O stycmos Ingresso dell oscillatoreyingresso clock esterno. Uscita dell oscillatoreyuscita clock con frequenza f osc Y4. I = ingresso, O = uscita, P = alimentazione, ttl = ingresso ttl, st = ingresso a trigger di Schmitt. 4 E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

11 . Struttura e caratteristiche del PIC 6F84A Alimentazione. Fra il terminale positivo V DD (4) e il terminale di massa V SS (5) va applicata la tensione di alimentazione, che deve presentare valori compresi fra 4 e 5,5 V. Port A e port B. Si individuano le 5 linee del port A (RA0 ' RA4) e le 8 linee del port B (RB0 ' RB7). Queste linee, che possono essere configurate come ingressi oppure come uscite, presentano livelli ttl compatibili e, se configurate come uscite, possono erogare o assorbire correnti di source o di drain fino a 5 ma. Si noti che RA4, che può fungere anche come ingresso di clock del timer TMR0, presenta uscita di tipo open drain e quindi come tale necessita di un resistore di pull-up esterno. Le linee del port B sono dotate di un pull-up interno, attivabile via software. La linea RB0 può essere usata come linea di interrupt. Anche le linee RA4 ' RA7 possono essere impiegate come ingressi di interrupt sensibili ai cambi di livello logico. linee Le linee sia del port A sia del port B possono essere configurate individualmente come ingressi o come uscite. MCLR. Il master reset, attivo a livello basso, presenta il suo vettore nella locazione 000h della memoria di programma, dalla quale il program counter (PC) riparte ogni volta che la linea MCLR viene attivata. In fase di programmazione del PIC a questa linea viene fornita la tensione di programmazione, mentre le linee RB6 e RB7 vengono usate rispettivamente come ingresso di clock e ingresso dati. OSCYCLKIN, OSCYCLKOUT. Sono rispettivamente il pin di ingresso e quello di uscita del segnale di clock. Normalmente vengono collegati a un circuito esterno che, insieme con l amplificatore interno all integrato, viene a costituire un vero e proprio oscillatore per la generazione del clock (vedi par..5.). Gli oscillatori previsti, che devono essere dichiarati in fase di programmazione del PIC, possono essere del seguente tipo: RC, che impiega una rete a resistenza e capacità; LP (low power), con rete a risonatore ceramico fino a 00 khz; XT (crystal), con quarzo fino a 4 MHz; HS (high speed), con quarzi fino a 0 MHz... Caratteristiche e organizzazione Il PIC 6F84A è dotato di tre diversi tipi di memoria. Memoria di programma. È di tipo flash, quindi elettricamente cancellabile, e comprende 04 locazioni ( K) di 4 bit con indirizzo da 000h a 3FFh (fig..4). Nelle locazioni 000h e 004h sono allocati i vettori rispettivamente del reset e dell interrupt; ciò significa che dopo un reset o dopo un interrupt il programma riparte rispettivamente da Vettore di RESET 000h 000h o da 004h. 00h Memoria dati ram. È costituita (fig..5) da un blocco di registri di uso speciale e da un blocco di 68 registri di uso generale, tutti da 8 bit ( byte). I registri d uso speciale sono suddivisi in due banchi, il Bank 0 con indirizzi da 00h a 0Bh e il Bank da 80h a 8Bh. Quelli di uso generale sono allocati nel Bank 0 con indirizzi da 0Ch a 4Fh. La selezione dei bank avviene tramite il bit RP0 del registro STATUS (vedi par..3). Memoria dati e prom. Di tipo non volatile e cancellabile elettricamente, è in grado di immagazzinare con una particolare procedura fino a 64 byte di dati. Vettore di INTERRUPT 00h 003h 004h 005h 3FEh 3FFh E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara fig..4 Memoria di programma di tipo flash con locazioni di 4 bit. registri di uso speciale Sono suddivisi in due banchi, Bank 0 e Bank. registri di uso generale Sono 68 con indirizzo da 0Ch a 4Fh. 5

12 UNITÀ fig..5 Memoria dati ram con registri di 8 bit. Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino File Address 00h Indirect addr. () 0h 0h 03h 04h 05h 06h 07h 08h 09h 0Ah 0Bh 0Ch TMR0 PCL STATUS FSR PORTA PORTB EEDATA EEADR PCLATH INTCON Indirect addr. () OPTION PCL STATUS FSR TRISA TRISB EECON EECON () PCLATH INTCON File Address 80h 8h 8h 83h 84h 85h 86h 87h 88h 89h 8Ah 8Bh 8Ch 68 General Purpose Registers (SRAM) Mapped (accesses) in Bank 0 4Fh 50h CFh D0h 7Fh Bank 0 Bank FFh Unimplemented data memory location, read as «0». () Not a physical register. Fra i registri di uso corrente di cui dispone il PIC di seguito segnaliamo. Contatore di programma (PC). Il program counter (PC) a 3 bit si compone di un registro basso (PCL) a 8 bit e un registro alto (PCH) a 5 bit. In totale con 3 bit il PC è in grado di indirizzare fino a 8 K di memoria di programma. Questa caratteristica è pertanto sovrabbondante per la memoria di programma del PIC 6F84A, la cui estensione è di K, ma è adatta invece per altri componenti della famiglia PIC, con memoria più ampia. Il PCL (indirizzo 0h o 8h) può essere letto e scritto direttamente come un normale registro. Per scrivere nel PCH occorre invece passare attraverso un particolare registro, il PCLATH (0Ah o 8Ah). Registro di lavoro W. È l accumulatore che nel PIC assume particolare importanza perché tutti gli spostamenti fra registri lo coinvolgono. TMR0. Questo registro a 8 bit, dotato di un prescaler, può fungere sia da timer sensibile a impulsi generati all interno del nc sia da contatore per impulsi esterni applicati dalla linea RA4YT 0CKI. Stack o Pila. Contiene gli indirizzi di ritorno delle subroutine ed è strutturata su 8 livelli consentendo così al programma di utilizzare fino a 8 subroutine nidificate, cioè interne una all altra. 6 E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

13 .3 Registri di uso speciale.3 Registri di uso speciale Come si può vedere in fig..5 i registri di uso speciale (special function register) sono distribuiti su due banchi con indirizzo rispettivamente da 00h a 0Bh e da 80h a 8Bh. Nella tab.. accanto a ogni registro viene riportata la funzione o le sigle che contraddistinguono i suoi 8 bit. PORTA (05h) e PORTB (06h). A ogni loro bit corrisponde una ben determinata linea del porta e del portb. Se per esempio le linee del portb sono state configurate come uscite, caricare il registro PORTB con 0000 significa portare la linea RB0 a livello alto, RB a livello basso, RB a livello alto e così via. Se invece le linee sono configurate come ingressi, la lettura dei registri fornisce il livello logico presente sulle linee. Le linee possono essere trattate sia individualmente sia complessivamente per registro. TRISA (85h) e TRISB (86h). Sono i registri che configurano individualmente le linee del porta e del portb come ingressi o come uscite. Ponendo i bit a si configurano le linee corrispondenti come ingressi, ponendoli a 0 come uscite. tab.. Registri di uso speciale. Banco 0 Indirizzo Nome bit 7 bit 6 bit5 bit 4 bit 3 bit bit bit 0 00h INDF Utilizzato con FSR per l indirizzamento indiretto ai registri della Memoria Dati 0h TMR0 Timer/contatore a 8 bit 0h PCL Parte bassa a 8 bit del Program Counter 03h STATUS IRP RP RP0 TO PD DC C 04h FSR Puntatore per l indirizzamento indiretto ai registri della Memoria Dati 05h PORTA RA4/T0CKI RA3 RA RA RA0 06h PORTB RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB RB RB0YINT 07h Locazione non implementata 08h EEDATA Registro dati della memoria eeprom 09h EEADR Registro indirizzo della memoria eeprom 0Ah PCLATH Buffer di scrittura per i 5 bit alti del PC 0Bh INTCON GIE EEIE T0IE INTE RBIE T0IF INTF RBIF Banco Indirizzo Nome bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit bit bit 0 80h INDF Utilizzato con FSR per l indirizzamento indiretto ai registri della Memoria Dati 8h OPTION RBPU INTEDG T0CS TOSE PSA PS PS PS0 8h PCL Parte bassa a 8 bit del Program Counter 83h STATUS IRP RP RP0 TO PD DC C 84h FSR Puntatore per l indirizzamento indiretto ai registri della Memoria Dati 85h TRISA Registro configurazione delle linee del port A 86h TRISB Registro configurazione delle linee del port B 87h Locazione non implementata 88h EECON EEIF WRERR WREN WR RD 89h EECON Registro di controllo della eeprom (non è un registro fisico) 8Ah PCLATH Buffer di scrittura per i 5 bit alti del PC 8Bh INTCON GIE EEIE T 0IE INTE RBIE T0IF INTF RBIF E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara 7

14 UNITÀ Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino PCL (0h) e PCLATH (0Ah). Il primo contiene gli 8 bit meno significativi del program counter PC. Può essere letto e scritto; la scrittura provoca il salto immediato del programma al nuovo indirizzo. Il PCLATH (PC latch high) può a sua volta essere scritto o letto. Il suo contenuto viene trasferito nel registro alto PCH del program counter in seguito a una istruzione di scrittura nel PCL oppure durante l esecuzione delle istruzioni GOTO e CALL. FSR (04h) e INDF (00h). Il primo viene usato come puntatore nell indirizzamento indiretto a registro. Una qualsiasi istruzione che coinvolga il secondo registro, INDF, in realtà viene ad avere come registro destinazione quello puntato da FSR, ossia quello il cui indirizzo è contenuto in FSR (vedi par..6.7). registro TMR0 Può essere usato come timer o come contatore di impulsi esterni inviati sulla linea RA4YT 0CKI. registro STATUS Contiene flag che segnalano informazioni sul risultato di operazioni aritmetico-logiche. TMR0 (0h). Il registro TMR0 è sostanzialmente un contatore a 8 bit in grado di contare sia gli impulsi di un segnale interno derivato dal clock del PIC (modalità timer) sia quelli di un segnale esterno inviato sulla linea RA4YT 0CKI (modalità counter). Il registro, che può essere inizialmente caricato a un valore desiderato, arrivato all overflow, ossia nel passaggio dal più alto valore conteggiabile (FFh) al successivo zero (00h), può essere abilitato a generare un interrupt. Si tenga presente che in modalità timer la frequenza f T del segnale interno è ¼ della frequenza f Ck o f osc del clock del nc (f T = f Ck Y4). Per allungare gli intervalli di tempo generati dal timer è possibile utilizzare un prescaler che consente di dividere la frequenza f T per, 4,..., 56, a seconda del valore dei tre bit PS PS PS0 del registro OPTION (vedi pag. 9). STATUS (03h). È il registro di stato che contiene 8 bit, di cui alcuni sono bit di segnalazione ( flag) e altri bit di controllo. In tab..3 sono riportate le sigle e le funzioni di ciascun bit. Particolare importanza presentano i bit di Carry (C) e di ero () perché, fornendo informazioni sul risultato delle operazioni aritmetico-logiche, sono spesso oggetto di test. I bit RP RP0 sono utilizzati nei PIC per selezionare il banco della memoria dati, con 00 è selezionato il Bank 0, con 0 il Bank. Nel PIC 6F84A, dove sono presenti due soli banchi, RP è mantenuto a 0; così se si vuole per esempio accedere al registro OPTION situato nel Bank, è sufficiente portare il solo RP0 a. tab..3 Registro STATUS (03h). Registro STATUS (03h) IRP RP RP0 TO PD DC C bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit bit bit 0 bit 7 IRP: non implementato e sentito come 0 bit 6 RP : non implementato e sentito come 0 bit 5 RP 0: (Register bank select bit) bit di selezione del banco = Banco (indirizzi 80h - FFh) 0 = Banco 0 (indirizzi 00h - 7Fh) bit 4 TO: (Time-out bit) bit di time-out del watchdog timer (WDT) = stato normale 0 = se WDT va in time-out bit 3 PD: (Power-down bit) bit di power-down o sleep = stato normale 0 = se è stata eseguita una istruzione di sleep bit : (ero bit) bit di zero = se il risultato di una operazione aritmetico o logica è zero 0 = se il risultato di una operazione aritmetico o logica non è zero bit DC: (Digit carryyborrow bit) bit di riportoyprestito del digit (per il prestito il livello è invertito) = se si verifica un riporto da parte del digit meno significativo 0 = se non si verifica un riporto dal digit meno significativo bit 0 C: ( CarryYborrow bit) bit di riportoyprestito (per il prestito il livello è invertito) = se si verifica un riporto da parte del bit più significativo 0 = se non si verifica un riporto da parte del bit più significativo 8 E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

15 .3 Registri di uso speciale OPTION (8h). I bit di questo registro, la cui funzione è sinteticamente illustrata in tab..4, sono adibiti prevalentemente al controllo del registro TMR0. Così PSA consente di assegnare il prescaler a TMR0 oppure al watchdog timer (WDT), a loro volta PS PS PS0 selezionano il prescaler secondo la tab..4, dividendo la frequenza f T del segnale interno e moltiplicando così la durata degli intervalli di tempo ottenibili. Il bit T 0CS seleziona la modalità timer oppure la modalità counter di TMR0; il bit T0SE a sua volta seleziona il fronte attivo del segnale esterno presente su RA4YT0CKI in modalità counter. Infine INTEDG seleziona il fronte attivo del segnale di interrupt che interessa RB0YINT mentre RBPU consente di attivare i pull-up interni presenti sulle linee del port B. INTCON (0Bh). È il registro dei controlli e dei flag dell interrupt. Poichè le fonti dell interrupt possono essere tre, il registro TMR0 quando arriva all overflow, il segnale sulla linea RB0YINT e il cambio di livello sulle linee RB4 ' RB7, nel registro INTCON saranno presenti tre bit di abilitazione, uno per ogni fonte di interrupt, e tre flag di segnalazione dell avvenuto interrupt. Si ricordi che il flag che è stato attivato dall interrupt deve venire azzerato da programma prima dell uscita dalla subroutine di gestione dell interrupt. Infine è presente il bit di abilitazione generale dell interrupt GIE. Si faccia attenzione al fatto che questo bit, che deve essere portato a per abilitare qualsiasi tipo di interrupt, viene automaticamente azzerato al verificarsi dell interrupt stesso e pertanto all uscita della subroutine di gestione deve venire nuovamente attivato. A questo provvede l istruzione di ritorno dalla subroutine RETFIE (vedi par..4). Il bit EEIE infine concerne la scrittura in memoria dati e prom. registro OPTION Contiene bit per la configurazione del TMR0. registro INTCON Contiene bit di controllo e flag relativi all interrupt. tab..4 Registro OPTION (8h). Registro OPTION (8h) RBPU INTEDG T0CS T0SE PSA PS PS PS0 bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit bit bit 0 bit 7 RBPU: (PORTB pull-up enable bit) bit di abilitazione dei pull-up del port B = pull-up disabilitati 0 = pull-up abilitati bit 6 INTEDG: (Interrupt edge select bit) bit di selezione del fronte dell interrupt = fronte positivo del segnale sul pin RB0YINT 0 = fronte negativo del segnale sul pin RB0YINT bit 5 T0CS: (TMR0 clock source select bit) bit di selezione del clock di TMR0 = transizione sul pin RA4YT0CKI 0 = clock interno del ciclo istruzione bit 4 T0SE: (TMR0 source edge select bit) bit di selezione del fronte attivo del clock per TMR0 = fronte negativo sul pin RA4YT0CKI 0 = fronte positivo sul pin RA4YT0CKI bit 3 PSA: (Prescaler assignment bit) bit di assegnazione del prescaler = prescaler assegnato al WDT (watchdog timer) 0 = prescaler assegnato a TMR0 bit,,0 PS PS PS0: (Prescaler rate select bit) bit per l impostazione del prescaler PS PS PS0 f T : n (TMR0) f T : n (WDT) 000 : : 00 : 4 : 00 : 8 : 4 0 : 6 : 8 00 : 3 : 6 0 : 64 : 3 0 : 8 : 64 : 56 : 8 E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara 9

16 UNITÀ Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino EEDATA (08h), EEADR (09h), EECON (88h), EECON (89h). Sono registri che consentono di trattare la memoria dati e prom disponibile nel PIC. tab..5 Registro INTCON (0Bh). Registro INTCON (0Bh) GIE EEIE T0IE INTE RBIE T0IF INTF RBIF bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit bit bit 0 bit 7 GIE: (Global interrupt enable bit) bit di abilitazione generale dell interrupt = abilita gli interrupt 0 = disabilita gli interrupt bit 6 EEIE: (EE write complete interrupt enable bit) abilita interrupt a scrittura completata su eeprom = abilita 0 = disabilita bit 5 T0IE: (TMR0 overflow interrupt enable bit) bit di abilitazione dell interrupt da TMR0 = abilita l interrupt da TMR0 0 = disabilita l interrupt da TMR0 bit 4 INTE: (RB 0YINT external interrupt enable bit) bit di abilitazione dell interrupt da RB0YINT = abilita l interrupt da RB 0YINT 0 = disabilita l interrupt da RB 0YINT bit 3 RBIE: (RB port change interrupt enable bit) bit di abilitazione dell interrupt da RB4 ' RB7 = abilita l interrupt da RB4 ' RB7 0 = disabilita l interrupt da RB4 ' RB7 bit T0IF: (TMR0 overflow interrupt flag bit) bit di flag che segnala l interrupt da TMR0 = TMR0 ha generato l interrupt (deve essere azzerato via software) 0 = TMR0 non ha generato l interrupt bit INTF: (RB 0YINT external interrupt flag bit) bit di flag che segnala l interrupt da RB 0YINT = RB 0YINT ha generato l interrupt (deve essere azzerato via software) 0 = RB 0YINT non ha generato l interrupt bit 0 RBIF: (RB port change interrupt flag bit) bit di flag che segnala l interrupt da RB4 ' RB7 = RB4 ' RB7 hanno generato l interrupt (deve essere azzerato via software) 0 = RB4 ' RB7 non hanno generato l interrupt istruzioni Le istruzioni sono 35, comuni a tutti i PIC. Altre due sono specifiche del PIC 6F84A. ESERCII > -6 LAB. Realizzazione di un frequenzimetro LAB. Scrittura su display LCD 0.4 Istruzioni Le istruzioni del PIC 6F84A sono 35, comuni a tutta la famiglia dei PIC, più specifiche. Sono raggruppate secondo tre tipologie, letterali e di controllo, orientate al byte e orientate al bit. Presentano un ciclo istruzione o T Cy pari a 4 cicli di clock. Pertanto con un clock da 4 MHz il ciclo istruzione presenta una durata di ns. Solo le istruzioni che prevedono un salto come GOTO, CALL, RETURN ecc., necessitano di due cicli istruzione ( ns nel caso precedente). In tab..6 sono riportate sinteticamente le 35 istruzioni base. Nella prima colonna è riportata l istruzione in codice mnemonico, nella seconda la sua descrizione, nella terza il numero di cicli istruzione e infine i flag del registro STATUS interessati da ogni istruzione. Si tenga presente che con f si intende il registro oggetto dell istruzione, con d la destinazione (se 0 la destinazione è il registro W, se è il registro stesso), con b il bit interessato del registro selezionato; k infine rappresenta un dato costante a 8 bit oppure un indirizzo a bit. Esaminiamo brevemente alcune delle istruzioni più significative: MOVLW 0A carica in W la costante 0Ah ossia 0d ossia b. MOVLW B idem come sopra. MOVLW D 0 idem come sopra. ADDLW 0xF0 addiziona a W la costante F0h. Quando la costante esadecimale k inizia con una lettera, deve essere preceduta da 0 o da 0x per esigenze di assemblatore. E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

17 .4 Istruzioni GOTO 0F salta alla locazione 0Fh della memoria di programma. MOVWF 05 sposta il contenuto di W nel registro PORTA (05h), ossia scrive nel PORTA. MOVF 06,0 sposta il contenuto di PORTB (06h) in W ossia legge il PORTB. XORWF 0C,0 esegue l or esclusivo fra i bit del registro 0C e i corrispondenti bit di W; il risultato è posto in W. Si noti che il risultato è zero solo se il contenuto dei due registri è uguale. BCF 05, pone a 0 il bit di PORTA (05h), ossia porta a livello basso la linea RA. BSF 06,7 pone a il bit 7 di PORTB (06h), ossia porta a livello alto la linea RB7. tab..6 Istruzioni del PIC 6F84A. Codice mnemonico Descrizione Cicli Bit di stato Istruzioni letterali e di controllo ADDLW k ANDLW k CALL k CLRWDT GOTO k IORLW k MOVLW k RETFIE RETLW k RETURN SLEEP SUBLW k XORLW k Addiziona W alla costante k Esegue l and fra i bit corrispondenti di k e di W Chiama la subroutine di indirizzo k Azzera il timer del watchdog Salta all indirizzo k Esegue l or inclusivo fra i bit corrispondenti di k e di W Carica la costante k in W Ritorna da subroutine di interrupt e riporta a il bit GIE Ritorna da subroutine e carica k in W Ritorna da subroutine Va nello stato di riposo Sottrae W dalla costante k Esegue l or esclusivo fra i bit corrispondenti di k e di W C, DC, TO, PD TO, PD C, DC, Istruzioni orientate al byte ADDWF f, d ANDWF f, d CLRF f CLRW COMF f, d DECF f, d DECFS f, d INCF f, d INCFS f, d IORWF f, d MOVF f, d MOVWF f NOP RLF f, d RRF f, d SUBWF f, d SWAPF f, d XORWF f, d Addiziona W a f Esegue l and fra i bit corrispondenti di W e di f Azzera f Azzera W Complementa f Decrementa f Decrementa f e salta l istruzione successiva se 0 Incrementa f Incrementa f e salta l istruzione successiva se 0 Esegue l or inclusivo fra i bit corrispondenti di W e di f Sposta il contenuto di f Sposta il contenuto di W in f Nessuna operazione Ruota a sinistra coinvolgendo il bit di Carry Ruota a destra coinvolgendo il bit di Carry Sottrae W da f Scambia i due digit di f Esegue l or esclusivo fra i bit corrispondenti di W e di f () () C, DC, C C C, DC, Istruzioni orientate al bit BCF BSF BTFSC BTFSS f, b f, b f, b f, b Azzera il bit b di f Porta a il bit b di f Testa il bit b di f e salta l istruzione successiva se 0 Testa il bit b di f e salta l istruzione successiva se () () f = indirizzo del registro (file); b = posizione del bit in un registro; k = costante o etichetta (label); d = seleziona il registro destinazione, d = 0: registro W, d = : lo stesso registro f; se omesso, di default è d =. E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

18 UNITÀ fig..6 La rotazione dei bit con le istruzioni RLF e RRF. Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino C bit 7 bit 0 RLF f, d C bit 7 bit 0 RLF f, d Meritano un particolare approfondimento le seguenti istruzioni: DECFS 0D, decrementa il contenuto del registro 0Dh e, se questo è 0, salta l istruzione seguente passando a quella ancora successiva; analoga è l istruzione INCFS. BTFSC 03, esegue il test sul bit del registro 03h, ossia sul bit ero di STATUS e, se questo è 0, salta l istruzione seguente. BTFSS 0,7 esegue il test sul bit 7 del registro 0h e, se questo è, salta l istruzione seguente. RLF 06, ruota di una posizione a sinistra il contenuto del PORTB; analogamente per RRF che esegue però la rotazione a destra. Entrambe coinvolgono il bit di Carry secondo quanto indicato nella fig..6. Il PIC 6F84A consente di utilizzare due istruzioni che però altri PIC della famiglia non accettano. Esse sono: TRIS f dove f = 05 indica il PORTA e f = 06 il PORTB. L istruzione trasferisce il contenuto di W nei registri TRISA o TRISB permettendo così di configurare le linee dei due port. OPTION trasferisce il contenuto di W nel registro OPTION, evitando il cambio di banco tramite il bit RP0 di STATUS. Poiché il termine OPTION è riservato a una istruzione, si tenga presente di non usarlo come label nella dichiarazione del registro corrispondente..5 Schemi hardware di base Le architetture dei sistemi di controllo sono sostanzialmente indipendenti dal tipo di microcontrollore impiegato proprio perché le interfacce con il mondo esterno di questi componenti sono di fatto molto simili. Qui di seguito verranno esaminate alcune delle configurazioni circuitali più comuni, facendo riferimento al microcontrollore PIC 6F84A..5. nc: schema base Lo schema base, alimentato a 5 V, è illustrato in fig..7. Si noti il circuito esterno per la generazione del clock, costituito da un quarzo (da 4 MHz) e da due condensatori, di valore non critico compreso fra 5 pf e 33 pf. Il pin di master reset MCLR, attivo basso, è collegato con il classico circuito RC per la generazione di un impulso negativo all accensione (power-up reset) e all attivazione di un eventuale pulsante di reset. Anche per questo circuito i valori non sono critici, dell ordine delle decine di kx per il resistore e compresi fra qualche centinaio di nf a qualche nf per il condensatore. E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara

19 .5 Schemi hardware di base V CC = 5V fig..7 Schema base. 33pF 33pF 33kΩ 330nF 4MHz 4 MCLR 5 OSC OSC 6 4 V DD PIC 6F84A V SS 5 RA0 RA RA RA3 RA4 RB0 RB RB RB3 RB4 RB5 RB6 RB nc, pulsanti, interruttori e LED In molte applicazioni è richiesta la presenza di pulsanti per dare inizio a procedure, di interruttori (DIP SWITCH) per leggere dati binari impostati dall esterno, di led e display per visualizzare eventi e risultati. In fig..8 è riportato un esempio di configurazione in cui il PIC 6F84A pilota 4 led tramite le linee RA ' RA4 e un relè tramite RB7. Le linee RB0 ' RB3, configurate come ingressi, sono collegate a un DIP SWITCH a 4 interruttori per l immissione di dati; infine la linea RA0, anch essa ingresso, controlla lo stato di un pulsante di avvio. Il circuito di master reset e l oscillatore, già illustrati in fig..7, sono stati omessi per semplicità grafica. Come si nota, le linee di ingresso sono tenute normalmente a livello alto da resistenze di pull-up (da 0 kx); il nc si accorgerà allora dell attivazione di un tasto quando leggerà un livello basso sulla linea corrispondente. Si tenga presente che per le linee del port B è possibile attivare pull-up interni mediante il bit di controllo RBPU del registro OPTION. I led collegati con il catodo a massa vengono accesi con un livello alto ( logico) sulla linea di uscita corrispondente. Si presti attenzione alla linea RA4, che, essendo di tipo open drain, necessita di un resistore esterno di pull-up per fornire il livello alto al LED. Conviene infine che le linee RB4 ' RB6, non utilizzate, vengano configurate come uscite per evitare che possano diventare sorgente di disturbi. 4 0kΩ DIP SWITCH Relè RB0 RB RB RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 V CC = 5V V DD PIC 6F84A RA0 RA RA RA3 0kΩ V CC 330Ω P ESERCII > -5 resistenze di pull-up Gli ingressi collegati a pulsanti o interruttori vanno tenuti a livello alto mediante resistori di pull-up. fig..8 Esempio di utilizzo delle linee del nc. V SS RA4 E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara 3

20 UNITÀ ESERCIIO > 7 LAB. Realizzazione di un frequenzimetro fig..9 (a) Visualizzazione su 4 display TIL3. (b) Segnali sulle linee. Progettare con il microcontrollore: PIC e Arduino.5.3 nc e display Si presenta spesso la necessità di visualizzare 4 o più cifre BCD utilizzando i display a 7-segmenti con rispettivo decoderydriver esterno oppure i più comodi TIL3 con decoder integrato. In questo tipo di applicazione, in cui il numero delle linee da gestire, 4 per i dati di ogni display, supera il numero delle linee disponibili nel PIC, si può ricorrere alla tecnica della multiplazione, ponendo le linee dei display in parallelo e attivando in sequenza il loro pin di abilitazione, secondo lo schema di fig..9a, in cui si sono impiegati TIL3. Si ricorda che questo display è fornito del pin latch strobe (LS), che, se portato a livello basso, consente la visualizzazione dei dati che giungono sulle linee ABCD, mentre, se tenuto alto, memorizza e mantiene visualizzato l ultimo dato arrivato. Si procede pertanto secondo la sequenza indicata dai segnali di fig..9b. Il nc, con le linee RB0 ' RB3 alte, inizia a portare sulle linee dati RA0 ' RA3 il dato relativo al primo display (DSP0); subito dopo fornisce un impulso negativo a RB0, aggiornando così il dato in DSP0. Successivamente porta sulle linee del port A il dato di DSP e abbassa per un istante RB (è sufficiente un ciclo istruzione), e così avanti fino all ultimo display. V CC = 5V DSP3 DSP DSP DSP0 V DD 4 TIL3 LS D C B A LS D C B A LS D C B A LS D C B A PIC 6F84A RB3 RB RB RB0 V SS RA3 RA RA RA0 (a) RA0 RA3 DSP0 DSP DSP DSP3 RB0 (b) RB RB RB3 ESERCII > 8-9 decodery demultiplexer Vengono impiegati quando occorra attivare una alla volta un numero elevato di linee, partendo da un numero ridotto di linee del nc nc e decoder Può capitare che il nc debba attivare una alla volta linee esterne in numero anche superiore alle linee dei port. Si vuole, per esempio, accendere uno alla volta e in sequenza 6 led. Una soluzione al problema può essere quella di impiegare un decoderydemultiplexer a 6 uscite oppure due decoderydemultiplexer a 8 uscite, come i comunissimi 74HC38, utilizzati nello schema di fig..0. Questi integrati presentano uscite attive basse, selezionabili mediante 3 linee ABC, e 3 pin di abilitazione. Nello schema si è utilizzato il pin G, attivo alto. Sono allora sufficienti 4 linee del PIC, per esempio RA0 RA3, per controllore i demux e quindi accendere uno alla volta i led desiderati. Ponendo per esempio RA3 RA RA RA0 = 0000 verrà abilitato dmux e quindi portata a livello basso la sua uscita Y 0, accen- E & E - Petrini 0 De Agostini Scuola SpA - Novara