Sistema de herramientas para la enseñanza y el aprendizaje de los microcontroladores en la carrera de ingeniería

Enviado por Prof. Aux. Rolando Rodríguez Henríquez

RESUMEN.

El trabajo consiste en un sistema de herramientas (de software y hardware) para la enseñanza y el aprendizaje de los microcontroladores, en la Carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica.

El sistema consta, por una parte de un entorno virtual de aprendizaje desarrollado en Macromedia Dreamweaver y Flash MX con un conjunto de lecciones multimedia que permiten al usuario el aprendizaje de los conceptos más importantes de los microcontroladores a través de un ambiente amigable; o sea en él se presentan todas las actividades curriculares de la asignatura Microprocesadores I (conferencias, clases prácticas, laboratorios, etc.) y la información relativa a todas las herramientas que están disponibles para los estudiantes tanto de hardware (kits de entrenamiento) como de software (entorno de desarrollo con: editor de programas, simulador y compilador) para el desarrollo de aplicaciones con microcontroladores.

Como elementos distintivos el entorno posee una lista de discusión y un foro de discusión a través de los cuales los estudiantes pueden intercambiar opiniones y evacuar dudas. Incorpora también, una sección para que los estudiantes se autoevalúen y puedan comprobar los conocimientos adquiridos, y por último se añaden enlaces a sitios web relacionados con los microcontroladores y dispositivos electrónicos periféricos y sus aplicaciones, a fin de que se tengan otras referencias para la adquisición de los conocimientos. Una vez adquiridos dichos conceptos (asimilados y sistematizados) a través de los recursos brindados en el entorno, se pueden experimentar virtualmente algunas aplicaciones con microcontroladores a través de una aplicación (entorno de desarrollo) que simula el comportamiento real del sistema de desarrollo al que se enfrentará el estudiante.

Ya lograda esta experimentación virtual, se descarga el programa deseado en el sistema de desarrollo con un microcontrolador real, conectado a la computadora a través del puerto serie, es decir como complemento del entorno virtual de aprendizaje, se combina durante el proceso docente educativo el uso de kits de entrenamiento soportados en microcontroladores de la compañía DALLAS SEMICONDUCTOR. Estos kits de entrenamiento constituyen una herramienta de vital importancia, por cuanto permite en los estudiantes la formación y dominio de habilidades prácticas para el manejo de dichos dispositivos y otros periféricos que por su complejidad resulta muy difícil de adquirir solo con conocimientos teóricos.

Con este trabajo se dispone de un sistema para la enseñanza y el aprendizaje de los microcontroladores, que garantiza el tránsito de los estudiantes desde el diseño, la simulación hasta la experimentación y comprobación práctica; que apoyándose en el uso de la computadora (combina el empleo de técnicas multimedia con un sistema de desarrollo (hardware)) permite el desarrollo de aplicaciones, respondiendo de esta manera a las nuevas exigencias de los nuevos planes de estudio: privilegiar el autoaprendizaje y hacer que los estudiantes aprendan haciendo.

INTRODUCCIÓN.

Los microcontroladores constituyen una tecnología compleja caracterizada por estar constituida por un conjunto de componentes básicos y de subsistemas de complejidad creciente que a partir de un cierto nivel se describen mediante un conjunto de conceptos básicos no excluyentes entre sí, que se subdividen a su vez en uno o más niveles de subconceptos asociados o excluyentes entre sí.

Debido a ello, la enseñanza de los microcontroladores se reduce, en la mayoría de los casos, al análisis de elementos, dispositivos o sistemas reales. Este método, si bien logra introducir al estudiante en las características de un determinado microcontrolador, sólo brinda una visión limitada y no permite un análisis global del mismo.

De todo lo anterior se deduce el interés por desarrollar, una metodología orientada al análisis y al aprendizaje de los microcontroladores así como herramientas que viabilicen la misma. Dicha metodología se basa en el método general de caracterización de una tecnología compleja que consiste en elegir un conjunto representativo de sistemas reales y analizarlos de forma detallada para definir todos los conceptos asociados con ellos.

A partir del resultado de este análisis se realiza un entorno virtual de aprendizaje con recursos multimedia para el aprendizaje de los conceptos teóricos. Por otra parte, para conseguir un aprendizaje eficaz de los microcontroladores y sus aplicaciones es necesario experimentar con un sistema real. En este trabajo se describe un sistema (Figura 1) que combina una aplicación multimedia (entorno virtual de aprendizaje) con un sistema de desarrollo (incorpora herramientas de hardware como kits de entrenamiento y un entorno de desarrollo) para lograr un aprendizaje integral de los microcontroladores.

Figura 1. Diagrama de bloques general del sistema.

El trabajo se estructuró a partir de un replanteamiento pedagógico dirigido a asumir un proceso de enseñanza aprendizaje que fomente la participación del alumno, como medio fundamental del aprendizaje, en el que el profesor ejerza la función de guía del conocimiento y se rompa el enfoque establecido del proceso de enseñanza aprendizaje: desde el educador hacia el educando, desde el que enseña hasta el que aprende; proponiendo un entorno virtual de aprendizaje que permita no solo establecer un sistema de actividades semipresenciales sino la autogestión del conocimiento de los microcontroladores.

El trabajo forma parte del empeño por perfeccionar el proceso de enseñanza y aprendizaje de los microcontroladores, sobre la base de los fundamentos del modelo pedagógico que privilegia el empleo de las tecnologías de la información y las comunicaciones, expresado este propósito en el uso de una plataforma virtual interactiva, la creación del entorno virtual de aprendizaje, diseño y elaboración de un laboratorio virtual, listas de discusión y foros de discusión.

El trabajo abarcó el estudio de los fundamentos didácticos del proceso de formación profesional del Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica con el análisis y distribución de todos los contenidos de la asignatura establecidos en el plan de estudios, para su estructuración en el entorno virtual, de manera coherente, eficaz y creadora que permita a los estudiantes alcanzar los objetivos de formación propuestos.

DESARROLLO.

El rápido desarrollo tecnológico en el área de la electrónica y la informática que se ha generado a nivel mundial se halla alentando transformaciones importantes en el campo de las comunicación y el aprendizaje.

La efectividad pedagógica con el uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones demanda la elaboración de materiales didácticos en soporte digital de manera creativa y científica así como el desarrollo de herramientas de hardware. En este contexto y desde esta perspectiva, el uso de la computadora es pedagógica y didácticamente efectivo para:

Hacer que aparezcan nuevas formas de trabajo grupal y asincrónico.
Posibilita nuevos vehículos de información, más veloces y simultáneos, que superan los obstáculos de tiempo y espacio.
Permite utilizar más y mejores recursos como son bases de datos, software, bibliotecas digitales, redes especializadas, multimedia, fotos digitales, revistas electrónicas, buscadores, tutoriales, sitios ftp, etc.

La incorporación de herramientas de software y hardware al proceso docente educativo constituye una práctica diaria e imprescindible en nuestras universidades, que se empeñan en aumentar la calidad de la enseñanza y el aprendizaje mediante procesos activos.

La educación virtual en particular, de hecho surge con la finalidad de extender, mejorar y hacer más eficiente la forma de enseñanza y entre los retos que enfrenta la Educación Superior en nuestro país se encuentran:

Diseño y desarrollo de un plan estratégico de informatización que unifique la docencia y los procesos de capacitación, asociados a la adquisición de equipos y tecnología computacional.
Desarrollo de aplicaciones creativas de las nuevas tecnologías al proceso docente educativo en su totalidad.
La masificación de la educación de pregrado y postgrado mediante la educación a tiempo total y a tiempo parcial (universalización).

El trabajo desarrollado responde al segundo gran reto anteriormente expuesto y se fomenta en el marco de los avances alcanzados por las tecnologías de la información y las comunicaciones y es posible por ser aplicable a uno de los campos de mayor necesidad y preocupación en el mundo: La Educación.

ESTRUCTURA DE LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN EL ENTORNO VIRTUAL DE APRENDIZAJE.

El entorno virtual de aprendizaje creado es un proyecto fundamentalmente basado en las tecnologías de la información y las comunicaciones para el desarrollo del estudio de los microcontroladores en los cursos de pregrado y postgrado de forma semipresencial y utilizando métodos interactivos de enseñanza.

Aprovechando las ventajas que ofrecen las tecnologías de la información y las comunicaciones se ha obtenido un material interactivo, que combinado con la práctica (sistema de desarrollo), ofrece grandes ventajas en la impartición de un contenido que históricamente ha sido complejo.

Para la elaboración del entorno, el estudio de la rápida evolución de las tecnologías de la información y las comunicaciones reveló el amplio abanico de posibilidades para solucionar los problemas de la enseñanza y aprendizaje hasta ahora presentados. La digitalización de la información ha permitido que esta se haga más compartible, manejable en partes y transportable, que pueda ser presentada de muchas maneras, textual, sonora, imagen estática o en movimiento, etc. y que se pueda acceder a ella a través de soportes y espacios de comunicación como la pantalla y así, a través de nexos o enlaces, establecer una interactividad entre ellas. De esta manera, el receptor decide, total o parcialmente, lo que va a recibir o leer en función de sus intereses o inquietudes.

Con esto se consigue que el receptor, en este caso el alumno, no sea un sujeto pasivo sino activo en su propio aprendizaje. El estudiante debe navegar por los documentos referidos a los contenidos de la asignatura y esta navegación en algunos casos es libre y en otros, dirigida por el profesor. En nuestro caso, se pueden seguir dos tipos fundamentales de navegación en el entorno virtual de aprendizaje elaborado: un itinerario predeterminado por el profesor, por lo que los alumnos accederán a todos los nodos de información básicos (conferencias, clases prácticas, laboratorios) para el completo entendimiento del tema en cuestión; y un itinerario libre y asistemático para aquellos alumnos que solo quieran estudiar aspectos concretos de un tema.

El desarrollo del entorno virtual se llevó a cabo a partir del análisis del dominio de los microcontroladores basado en la metodología de tecnologías complejas. La importancia de su desarrollado se basa en que al utilizar herramientas multimedia permiten utilizar distintos formatos para representar la información asociada a cada concepto a enseñar y aprender. Cada concepto puede encerrar dentro de sí, explicaciones textuales, animaciones, imágenes, esquemas y por supuesto secuencias de audio que apoyan la exposición y posterior asimilación de los conceptos por parte del usuario de la aplicación.

Una vez que se dispone del análisis del dominio de los conceptos, este se traduce a una página web que forma un sistema multimedia. Las páginas de los contenidos se dividen en un conjunto de lecciones enlazadas con una lección inicial en la que se describen los conceptos fundamentales de los microcontroladores. Dichos conceptos constituyen palabras activas que puede utilizar el lector para tener acceso a los recursos de texto, sonidos e imágenes asociados con ellos y que son accesibles por parte de los estudiantes.

En la Figura 2 se muestra como ejemplo una pantalla del entorno virtual. En la página web se indica la principal característica de los microcontroladores de la familia MCS’51 ayudados tanto mediante texto como mediante una imagen. También se observa la interfaz de usuario a través de la cual se navega secuencialmente en las páginas de una lección o ir a la página anteriormente visitada, con lo que la navegación deja de ser secuencial.

Figura 2. Sistema multimedia utilizado.

Se puede acceder a la información partir de un menú (Figura 3) que siempre estará en pantalla y en cual se incluye: Portada, Profesor, Programa, Documentación, Bibliografía, Ejercicios Propuestos, Enlaces, Lista de Discusión y Planificación).

Figura 3. Menú Principal.

Los contenidos de la asignatura se describen en la sección Planificación (Figura 4) donde aparecen todas las actividades correspondientes a la asignatura (conferencias, clases prácticas y laboratorios). De esta forma el alumno puede navegar en esta sección por el tema que prefiera dirigido por el profesor. Cuando se accede a esta sección, aparece la siguiente información:

Figura 4. Planificación de los contenidos.

Una vez que el alumno haya consultado el contenido del tema en cuestión, puede comprobar si ha adquirido los conocimientos a través de la sección de Autoevaluación (Figura 5), en la cual, una vez contestado el cuestionario, es automáticamente corregido y el alumno sabe al momento, cual ha sido el nivel de asimilación de los contenidos.

Figura 5. Autoevaluación.

Entendemos que para la plena adquisición y comprensión de los conocimientos incluidos en los temas es necesario el apoyo de otro tipo de material donde el alumno pueda completar los contenidos. Para ello se ha creado un espacio donde ubicar los materiales complementarios que el profesor crea oportunos. Nos referimos a la sección Documentación (Figura 6).

Figura 6. Documentación.

Desde el sitio se tiene acceso a una lista de discusión (Figura 7) sobre temas de Electrónica donde los estudiantes tienen la posibilidad de evacuar dudas. Se describe en esta sección, la forma en que los alumnos se pueden suscribir a dicha lista ya sea como usuario de la Intranet o externo. Los enlaces a sitios de interés relacionados con temas de la asignatura se encuentran en la sección Enlaces o se puede acceder a dichos sitios desde la portada.

Figura 7. Lista de discusión.

Otro elemento destacable del sitio lo constituye la base de datos de ejercicios resueltos disponibles para el estudiante en la sección Herramientas (Figura 8), donde se pueden encontrar proyectos desarrollados tanto en lenguaje ensamblador como en lenguaje de alto nivel (C) que sirven de guía en el aprendizaje de la programación de los microcontroladores que es el núcleo fundamental de la asignatura.

En esta misma sección se puede encontrar un Glosario de Términos donde se introducen definiciones de aquellos conceptos que el profesor considera necesarios para la comprensión de la asignatura.

Se pueden descargar también aquí, herramientas propias para el desarrollo de aplicaciones con microcontroladores como compiladores, laboratorios virtuales, etc.

Figura 8. Herramientas.

El otro elemento de interés del sitio lo constituye el Foro de Discusión (Figura 9) que sirve también como vía de evacuación de dudas con los propios colegas o con el profesor.

Figura 9. Foro de discusión.

Se introduce una sección de Información General (Figura 10) donde se le orienta al alumno elementos que de forma general deben conocer de la asignatura.

Figura 10. Información General

Un elemento importante en el trabajo lo constituye el hecho de incorporar dos aplicaciones para mejorar el proceso de enseñanza y aprendizaje de los microcontroladores. Una de ellas es un simulador del kit de entrenamiento que se utiliza en las actividades prácticas de la asignatura. En la próxima sección se hace una breve descripción del mismo.

SIMULADOR PARA EL ENTRENAMIENTO CON EL MICROCONTROLADOR 8051.

Instalación.

La aplicación trabaja sobre Windows 95/98/NT/2000/XP. Para su correcto funcionamiento necesita tener copiados en la carpeta System (Win95, Win98) o System32 (WinNT, Win2000, WinXP), según el sistema operativo, los siguientes archivos:

Cvirte.dll
Cvirte (siendo este, una carpeta)

Los mismos se encuentran dentro del subdirectorio "Dll necesarias" que viene incluido en el paquete de la aplicación.

Los ejecutables son los ficheros Server.exe (para el servidor) y Cliente.exe (para el cliente). El Server necesita la carpeta UtilesServer donde se encuentra el enunciado y programación de los ejercicios y la ruta de acceso al simulador Keil µVision (keil.txt) la cual puede ser modificada. Por otra parte el Cliente necesita la carpeta UtilesCliente que contiene lo mismo que UtilesServer.

¿Cómo funciona?

Primeramente se debe registrar el servidor en uno de los puertos (Figura 11) de la máquina, utilizados para las conexiones TCP/IP. Este valor se define como se muestra en la siguiente figura:

Figura 11. Registro del Servidor.

El valor del puerto puede estar en el rango de 1 a 65535. Aconsejamos no escoger los puertos bien conocidos (23, 25, 80, etc.) para no interferir con otras aplicaciones instaladas en el sistema.

De no haber problemas en la inicialización del servidor, entonces se ejecutará la aplicación (Figura 12) como se muestra en la siguiente figura:

Figura 12. Pantalla Principal de la Aplicación.

Una vez que se registra el servidor, el mismo está listo para recibir conexiones de los clientes. En la aplicación se muestran los datos de la PC (nombre y dirección IP), la cantidad de clientes conectados, además del nombre y dirección IP de los mismos.

Mediante los Listbox (Figura 13) se puede seleccionar el ejercicio con el que se va a trabajar y también le podemos dar control a alguno de los clientes conectados para que interactúen con el mismo.

Figura 13. Listado de Ejercicios.

Si se presiona el clic derecho del ratón se muestra a modo de ayuda (Figura 14), en qué consiste el ejercicio seleccionado.

Figura 14. Ejercicio Seleccionado.

Con el menú superior se puede acceder al enunciado del ejercicio con su respectiva programación (todos los ejercicios están guardados en la carpeta UtilesServer que viene incluida en el paquete del software), además tiene un enlace con el simulador Keil µVision2 cuya ruta del enlace puede ser modificada cambiando el fichero keil.txt que se encuentra en UtilesServer (Figura 15).

Figura 15. Listado de Ejercicios.

Una vez inicializado el servidor, está listo para recibir clientes. La aplicación cliente, necesita la dirección IP y el puerto que escucha el servidor. Tanto el servidor como el cliente pueden estar en la misma máquina (Figura 16).

Figura 16. Listado de Ejercicios.

En la aplicación cliente se encuentran los datos de la PC (nombre y dirección IP) y los del servidor, además vemos el ejercicio con el que estamos trabajando en ese momento (Figura 17).

Figura 17. Visualización del nombre y dirección IP

El menú superior tiene el mismo formato y funciones que en el Server, solo que los ficheros de los ejercicios y de la ruta de acceso al Keil µVision2 se encuentran en la carpeta UtilesCliente.

Al presionar el clic derecho se muestra una breve descripción del funcionamiento del ejercicio seleccionado.

SISTEMA TUTOR PARA LA ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE DEL MICROCONTROLADOR 8051.

Otro de los elementos más destacados del entorno virtual de aprendizaje lo constituye la incorporación de un sistema tutor para el aprendizaje de los microcontroladores del cual se hará una breve descripción a continuación.

La aplicación multimedia resulta muy fácil en cuanto a su utilización. Para utilizarla no hace falta programas auxiliares ni instalación alguna, ya que el fichero que se genera al realizarse el diseño está soportado en Macromedia Flash MX y por tanto es fácilmente ejecutable desde cualquier sistema operativo que posea un reproductor de Flash. En este caso se ha creado una aplicación que está contenida dentro de un paquete de instalación. Solamente hay que copiar el paquete y ejecutarlo.

Una vez que se acceda a la aplicación, aparecerá la ventana principal (Figura 18) la cual se muestra a continuación:

Figura 18. Pantalla Principal del Sistema Tutor.

En esta ventana dinámica (Figura 19) aparecerán seis botones mediante los cuales se accede a toda la información relacionada con el microprocesador 8051. Por ejemplo, comenzando por el botón de la parte superior izquierda de la ventana, y se accede al Sumario de Hardware haciendo clic sobre él de modo que aparecerá una nueva ventana donde se tendrá acceso a toda la información relacionada con la estructura externa y interna del microprocesador; como se muestra a continuación:

Figura 19. Ventana Dinámica.

Luego si se quiere entrar a una de las estructuras, por ejemplo a la externa (Figura 20), aparecerá una ventana con las diferentes opciones relacionadas con dicha estructura, como se ve en la figura siguiente.

Figura 20. Estructura Externa del microcontrolador 8051.

En la ventana anterior se puede observar como aparece el micro 8051con todos sus pines o terminales nombrados, además se observa como aparece el terminal RESET resaltado en azul, asociado a un cuadro o ventana de diálogo. Esto se debe a que cuando se sitúe el cursor del ratón sobre cualquiera de los terminales del micro, dicho terminal o dichos terminales, si es que están relacionados como en el caso de los terminales de puerto, cambiarán de color, o sea, pasan a negro y aparecerá automáticamente una ventana de diálogo con la descripción funcional asociada como se pudo apreciar en la ventana anterior para el terminal RESET.

Si entramos a la Estructura Interna (Figura 21) aparece la ventana siguiente:

Figura 21. Estructura Interna.

En ella se encuentran los botones mediante los cuales se accede a toda la información relacionada con la estructura interna del micro 8051. Estructuras como el núcleo del 8051, Registros de Funciones Especiales, Memoria de Programa, Banco de registros, Zona Direccionable BIT a BIT, Memoria de Datos y una aplicación práctica animada (Figura 22); la cual se ejecuta haciendo clic sobre el botón play resaltado en azul que aparece en la parte central inferior de la ventana que sigue.

Figura 22. Aplicación Práctica.

Es notable que en cada ventana esté presente un botón rectangular que dice Atrás, por lo general en la parte inferior derecha de la ventana, el cual permite regresar a la ventana anterior hasta llegar a la principal.

De igual forma, haciendo clic sobre los demás botones de la ventana donde se encuentra la estructura interna, encontramos la información relacionada con ellos, por ejemplo si dentro de esta estructura interna hacemos clic sobre el botón referido al Núcleo del 8051; aparecerá una ventana con un esquema en bloque (Figura 23) y un cuadro de diálogo relacionado con este, como se muestra a continuación:

Figura 23. Diagrama en Bloques de la Estructura Interna.

Continuamos haciendo clic sobre el botón de los Registros de Funciones Especiales (Figura 24) donde aparecerán todos los registros de funciones especiales que posee internamente el micro, haciendo clic sobre cada uno de ellos aparecerá un cuadro de diálogo con la descripción funcional de dicho registro, estos registros se muestran a continuación:

Figura 24. Ventana de Registros de Funciones Especiales.

De forma similar se accede al resto de la información relacionada con la estructura interna.

Saliendo de la estructura interna y regresando a la ventana principal, entremos ahora al Set de Instrucciones (Figura 25) donde aparecerán dos botones: uno para los modos de direccionamiento y otro para acceder a todos los tipos de instrucciones mediante las cuales el usuario intercambia o interactúa con el micro 8051; ya que estas instrucciones no son más que el lenguaje que se utiliza para que el micro entienda lo que queremos que él realice, dentro de una aplicación práctica a programar. Luego, si por ejemplo, entramos en los tipos de instrucciones, aparece la ventana siguiente:

Figura 25. Ventana con el repertorio de Instrucciones.

En ella aparecen las instrucciones aritméticas (Figura 26.), booleanas, de transferencia, lógicas y de salto. Haciendo clic, por ejemplo en las instrucciones aritméticas, aparece la siguiente ventana:

Figura 26. Ejemplo de presentación de las instrucciones.

Luego, haciendo clic sobre cada una de las instrucciones que aparecen resaltadas en azul, se obtiene como resultado una nueva ventana con la descripción detallada referida a la función y ejemplos de utilización de dicha instrucción, o sea, haciendo clic en la primera instrucción que aparece un la tabla nombrada ADD (Figura 27) se obtiene lo siguiente:

Figura 27. Ejemplo de presentación de una instrucción.

En esta ventana aparece la descripción de la instrucción que se ha seleccionado anteriormente. Aparecen instrucciones resaltadas en color azul, que haciendo clic sobre dicha instrucción, aparecerá una animación que describe claramente el verdadero funcionamiento de la misma, como ocurre dentro del micro 8051, y así sucederá con las demás instrucciones. Un ejemplo de animación se muestra a continuación, relacionada con la primera instrucción resaltada en azul de la ventana anterior, esta instrucción es ADD A, Rn (Figura 28).

Figura 28. Ejemplo de como de describe una instrucción.

En esta ventana como en todas las que muestran animaciones dentro de esta herramienta multimedia, aparecen botones play y sus asociados stop, pasar delante y atrás; con el objetivo de permitir al usuario manipular la animación a su gusto, los cuales aparecen siempre en la parte inferior central de la ventana.

Regresando a la ventana de los tipos de instrucciones entramos en los Modos de direccionamiento (Figura 29).

Figura 29. Representación de los Modos de Direccionamiento.

En esta ventana referida a los modos de direccionamiento encontramos los direccionamientos directo, inmediato, por registros, indirecto por registros, indirecto indexado por registros y el direccionamiento de BIT. Luego, entrando en uno de ellos, como por ejemplo el primero de la ventana anterior: Direccionamiento Directo (Figura 30):

Figura 30. Ejemplo de cómo se muestran los tipos de direccionamiento.

Similarmente sucederá cuando entremos a los demás modos de direccionamiento.

Volvamos a regresar a la ventana principal y hagamos clic en el botón Temporizadores (Figura 31). Se genera una ventana con los botones siguientes:

Figura 31. Temporizadores.

Dichos botones, que son de forma rectangular, están relacionados con toda la información que involucra al micro 8051 con la temporización y que reúne las características generales, modos de funcionamiento, registros de control y los registros de modo, así como una animación como ejemplo, la cual explica muy detalladamente como es posible crear un tren de pulsos cuadrados aprovechando las posibilidades de temporización del micro.

Haciendo clic sobre el botón APLICACIÓN (Figura 32), se observa como se ha generado el tren de pulsos; además de los códigos de programación utilizados, donde al presionar Play podemos apreciar de forma animada como el micro ejecuta cada una de las instrucciones, la misma se muestra a continuación:

Figura 32. Ejemplo de Aplicación con temporizador.

Regresando a los temporizadores en la ventana principal y entrando al registro de control (Figura 33), aparecerá una ventana con toda la descripción relacionada con este registro, en el que se habilitan los temporizadores del micro así como las interrupciones, la cual se muestra a continuación:

Figura 33. Registro de Control.

En esta ventana se puede apreciar, como se ha desplegado un cuadro de diálogo con el mismo color de fondo del cuadro perteneciente al BIT más significativo del registro TCON, lo cual está dado porque la aplicación está programada para que en la mayoría de los casos, como ya vimos anteriormente, se brinde al usuario la información en el momento en que este situé el puntero del ratón sobre los objetos señalados.

De igual forma ocurre si entramos al registro de modo TMOD (Figura 34); donde aparece la ventana siguiente:

Figura 34. Registro TMOD.

Se han descrito los tres botones del lateral izquierdo de la ventana principal. Los tres del lateral derecho muestran la información de semejante forma. Al entrar en las interrupciones (ventana principal, Figura 35) la ventana siguiente:

Figura 35. Interrupciones.

En ella aparecen botones rectangulares a través de los cuales se puede encontrar, de forma ordenada, toda la información relacionada con el micro 8051 en cuanto a interrupciones se trata. Encontramos, comenzando por la parte superior izquierda de la ventana, el botón Introducción, el cual tiene asociada una ventana de diálogo con una breve introducción al respecto. Luego, le sigue la Habilitación de las Interrupciones, donde se muestra el registro IE con el cual se habilitan las interrupciones; las Interrupciones Externas mostrando el registro TCON, Interrupción del Puerto Serie con información al respecto, la Tabla de Interrupciones, donde se especifican las diferentes direcciones a donde apuntan los vectores asociados a las interrupciones y los temporizadores, los Niveles de Prioridad mostrando el registro IP mediante el cual se habilitan las prioridades necesarias, en el caso de las interrupciones, tanto internas como externas, las interrupciones internas mostrando una ventana de diálogo y por último encontramos dos botones nombrados como Simulación. El primero muestra la ventana siguiente (Figura 36):

Figura 36. Ejemplo del Tratamiento de las Interrupciones.

En esta ventana usted podrá apreciar como opera el micro 8051 una vez provocada una interrupción. Para comenzar a observar la animación, se deberá hacer clic en uno de los recuadros azules de la parte lateral derecha de la ventana, nombrados como Periférico 1 y Periférico 2; en este caso, la ventana anterior esta mostrando el proceso que ocurre al producirse una interrupción del Periférico 1. Al terminar esta ejecución, aparece un cuadro de diálogo parpadeante que indicará que haga un clic sobre uno de los periféricos para provocar una interrupción. Estas animaciones tienen incluida una voz que le irá narrando lo que está sucediendo mientras esté corriendo la animación.

El segundo y último botón también nombrado como simulación muestra una ejecución del micro 8051 (Figura 37) al provocarse una interrupción después de oprimir una tecla. La ventana que se genera es la siguiente:

Figura 37. Ejemplo de ejecución del microcontrolador.

Para comenzar la ejecución en la ventana anterior, se debe hacer clic sobre las teclas S1 o S2 indicadas con flechas azules. La ejecución habrá terminado cuando se encienda uno de los led’s que están conectados en el puerto P0 según corresponda. El led del terminal P0.0 encenderá en amarillo al presionarse la tecla S1 y el del terminal P0.1 en azul al presionarse la tecla S2.

Regresando a la página principal continuamos con el botón Puerto Serie (Figura 38); cuya ventana se muestra a continuación:

Figura 38. Puerto Serie.

Esta consta de cuatro botones, de izquierda a derecha muestra un botón nombrado Introducción, donde se da una breve introducción referida a la comunicación serie utilizando un micro 8051. El botón Modos de funcionamiento relaciona al micro con los cuatro modos de funcionamiento que este utiliza para la comunicación serie y se explica cómo se programa cada modo de forma independiente.

El botón Registro de control muestra y describe el registro SCON (Figura 39); el cual es un registro de funciones especiales a través del cual es posible realizar el control de la comunicación serie con el micro 8051. Dicho registro se muestra a continuación como resultado de haber efectuado un clic sobre el botón nombrado Registro de Control.

Figura 39. Registro de Control.

SISTEMA DE DESARROLLO (ENTORNO DE DESARRLLO Y KITS DE ENTRENAMIENTO).

El sistema de desarrollo de aplicaciones con microcontroladores está formado por:

Un sistema electrónico basado en un determinado microcontrolador y conectable a una computadora a través de uno de sus puertos. Este sistema se realiza físicamente en una placa de circuito impreso que se denomina placa de desarrollo.
Un entorno de desarrollo que es un conjunto de programas (software) que permiten realizar todas las tareas necesarias para desarrollar el programa de una aplicación. Las funciones típicas del programa de desarrollo, que se ejecuta en el computador, son:

• Edición del programa de la aplicación.

• Simulación de su comportamiento.

• Compilación.

• Programación del microcontrolador, que en este caso se realiza a través de otro software.

El sistema de desarrollo que se propone en este caso es el μVision2 de Keil Elektronik GMBH, es un sistema integrado de compilaciσn y simulación de aplicaciones con microcontroladores de la familia MCS’51 (Figura 40).

Figura 40. Sistema de desarrollo Keil μVision2.

Placa de desarrollo

El circuito electrónico que constituye el sistema de desarrollo es una placa de circuito impreso que contiene todos los elementos que lo forman. En la Figura 41 se presenta uno de estos sistemas, formado por:

Un microcontrolador de la familia MCS’51, específicamente el μC DS5000FP de la compaρía Dallas Semiconductor, que posee 32 kbytes de memoria no volátil interna, ideal para el desarrollo de aplicaciones.
Un conjunto de periféricos conectados a través de un bus de expansión de sistema, como son conversor AD serie, conversor DA serie, entradas/salidas digitales, teclado, lámparas de 7 segmentos, etc.
Un cable de comunicación con una computadora personal. Para ampliar el conjunto de periféricos básicos dispuestos en la placa el bus de expansión es accesible desde el exterior a través de un conector. De esta forma, es posible conectar a la placa de desarrollo una o más placas adicionales que contengan otros elementos periféricos que amplíen la funcionalidad del sistema.

Figura 41. Placa de desarrollo que utiliza el μC DS5000FP de Dallas Semiconductor.

La Figura 42, muestra en detalles los elementos que componen dicha placa.

Figura 42. Circuito equivalente del kit de entrenamiento con el μC DS5000FP.

Microcontrolador

El sistema está diseñado para trabajar con la familia de microcontroladores MCS’51 y utiliza específicamente el μC DS5000FP de Dallas Semiconductor que posee una capacidad de memoria RAM no volátil de 32 kBytes. El hecho de usar este tipo de memoria hace que el sistema sea muy útil en el trabajo de los estudiantes por cuanto pueden grabar el dispositivo y borrarlo cuantas veces se desee, al ser su vida útil, ilimitada.

Periféricos básicos

Reciben esta denominación un conjunto de elementos auxiliares conectados al microcontrolador, cuya misión es:

Generar señales analógicas a través del conversor DA serie MAX532.

Introducir señales al microcontrolador a través del conversor AD serie MAX186.

Los periféricos de salida son cuatro visualizadores de siete segmentos, un diodo luminiscente (LED) y un buzzer como elemento sonoro.

Posee también el sistema cuatro interruptores en las entradas de interrupción y de conteo de eventos para simular aplicaciones que así lo requieran.

Cable de comunicación

Permite la comunicación entre el microcontrolador y el entorno de desarrollo, a través del puerto serie de la computadora personal. A través del mismo tiene lugar la programación y verificación del microcontrolador. En la Figura 4 aparece señalado.

Entorno de desarrollo

Esta constituido por dos herramientas. Una de ellas, que realiza las tres primeras funciones (edición, simulación y compilación) indicadas al principio del trabajo, y que en este caso se utiliza μVision2 de Keil Elektronik GmbH. La otra realiza el proceso de programación del microcontrolador y que se utiliza aquí el software de libre difusión DSLoader y que se muestra a continuación en la próxima figura. A través de este software se puede dividir la memoria no volátil del microcontrolador en RAM y ROM. Se puede llenar un espacio de la memoria con un valor elegido, limpiar la memoria, etc.

Además de esto, se pueden realizar operaciones de lectura y escritura en los puertos paralelos del dispositivo. Por último, permite programar el dispositivo y verificar dicha programación (Figura 43.).

Figura 43. Software para la programación del microcontrolador.

Experimentaciones realizables

Mediante la placa de desarrollo se pueden realizar innumerables experimentaciones tanto en lenguaje ensamblador como en C pues el compilador de Keil, lo permite.

Combinación del sistema multimedia y del sistema de desarrollo

La experimentación práctica con el sistema de desarrollo se lleva a cabo a partir del sistema multimedia. Para realizar el enlace se tiene en cuenta el objetivo final del conjunto que puede ser:

Formar un ingeniero especialista en el diseño e implementación de sistemas electrónicos basados en microcontroladores. En este caso el sistema multimedia se enlaza con el programa de desarrollo y permite al usuario modificar o crear sus propios programas para, posteriormente, comprobar su funcionamiento en la placa de desarrollo.
Proporcionar conocimientos de las aplicaciones de los microcontroladores a los ingenieros de cualquier especialidad. En tal sentido el sistema multimedia contiene un conjunto de aplicaciones adecuadamente seleccionadas que el usuario puede poner en marcha para reforzar de forma práctica los conceptos teóricos adquiridos.

BENEFICIOS Y NIVEL DE APLICACIÓN.

El sistema de herramientas (de software y hardware) para la enseñanza y el aprendizaje de los microcontroladores, en la Carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, en el tiempo que lleva aplicado (cerca de dos años) ha tenido no solo un significativo impacto desde el punto de vista social por el nivel de accesibilidad de que han podido disponer lo estudiantes para su uso sino también desde el punto de vista económico, por los ahorros que ha generado para la Universidad de Pinar del Río.

El empleo del sistema en el proceso docente educativo ha permitido disminuir el nivel de complejidad con que se presentaba el contenido relativo a los microcontroladores, pues al utilizar recursos multimedia el estudiante cuenta con una diversa forma de representación de la información, presentada de forma textual, sonora, con imágenes estáticas o en movimiento, así como el empleo de simuladores, laboratorios virtuales, tutoriales con sus consabidas ventajas.

La combinación de recurso de software y hardware en el sistema, permite una completa formación en el tema de los microcontroladores, garantizando que los estudiantes aprendan haciendo, incluso teniendo en cuenta la frecuencia de errores que normalmente se cometen durante el desarrollo de aplicaciones con diferentes niveles de complejidad.

El sistema se aplica en la enseñanza y el aprendizaje de las asignaturas Microprocesadores I y II así como en el trabajo extracurricular de estudiantes de alto aprovechamiento de la carrera, donde el nivel de satisfacción de los estudiantes con el proceso docente educativo que se ejecuta es alto.

Contar con el sistema de herramientas en estas asignaturas ha permitido aumentar el número de actividades eminentemente prácticas desde el punto de vista presencial así como el autoaprendizaje y la independencia de los estudiantes.

La factibilidad de su aplicación es una expresión de lo que se puede lograr con el uso eficiente de las tecnologías de la información y las comunicaciones en el proceso docente educativo así como las potencialidades de los estudiantes en el desarrollo de este tipo de aplicaciones.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

En este trabajo se describe un sistema de enseñanza y aprendizaje para los microcontroladores de la familia MCS’51 que combina un sistema multimedia y un sistema de desarrollo. El sistema multimedia no solamente expone los conceptos teóricos adecuadamente estructurados, sino que utiliza el concepto de laboratorio virtual para describir la placa de desarrollo.

Por sus facilidades de uso y potencialidades permite utilizar el sistema de desarrollo tanto para la formación de ingenieros especialistas en microcontroladores como ingenieros usuarios de los mismos.

Durante varios cursos se ha trabajado con la herramienta y los kits de entrenamiento durante la impartición del tema de los microcontroladores y los resultados han mostrado avances notables, ya que los estudiantes no solo cuentan con la información teórica sino que también pueden desarrollar la aplicación de manera real, o sea, logran transitar desde el diseño y la simulación, hasta la comprobación práctica.

La intención entonces de este documento es poner en conocimiento, nuestra experiencia sobre el diseño y la elaboración de este sistema de herramientas a partir de los estudios previamente desarrollados.

Se recomienda su generalización en los diferentes centros donde se estudia la Carrera de Telecomunicaciones y Electrónica y se estudian los microcontroladores de la familia MCS’51.

BIBLIOGRAFÍA.

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3. Martí, C. ; de Benito, B.; Ordinas, C.; Salinas, J. (1999). "Itinerarios de aprendizaje en el marco de las redes. Elaboración de material didáctico multmedia". Comunicación presentada en el Congreso EDUTEC 99.

4. Salinas, J.(1994). "Hipertexto e hipermedia en la enseñanza universitaria". PixelBit. Revista de Medios y Enseñanza no. 1.

Autor:

Prof. Aux. Rolando Rodríguez Henríquez

Año 2005