Sistema de herramientas para la enseñanza y el aprendizaje de los microcontroladores en la carrera de ingeniería
- Resumen
- Desarrollo
- Estructura de la
información contenida en el entorno virtual de
aprendizaje - Simulador para el
entrenamiento con el microcontrolador 8051 - Sistema tutor para la
enseñanza y aprendizaje del microcontrolador
8051 - Sistema de desarrollo
(entorno de desarrollo y kits de
entrenamiento) - Beneficios y nivel de
aplicación - Conclusiones y
recomendaciones - Bibliografía
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.
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.
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).
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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.
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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.
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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.
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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.
1. Baeza de Oleza, Ll. "Elaboración de documentos
hipertextuales. Reflexión sobre experiencias y retos".
1996.
2. Jonassen, D. Y Wang, S. (1990). "Hypertext, Learning
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3. Martí,
C. ; de Benito, B.; Ordinas, C.; Salinas, J. (1999). "Itinerarios
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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