No Image

Шим на микроконтроллере pic

СОДЕРЖАНИЕ
4 просмотров
22 января 2020


Микроконтроллеры PIC16 имеют на борту 10-ти разрядный модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного приближения. Метод последовательного приближения предполагает получение результата за несколько измерений (сравнений), с постепенным увеличением точности в каждом последующем сравнении. Таким образом, преобразование выполняется за несколько машинных циклов. Естественно данный метод уступает параллельным АЦП по скорости преобразования, в которых результат получают за один такт (машинный цикл). Я не буду здесь углубляться в тонкости различных методов, необходимую информацию можно найти в сети.

На рисунке ниже представлена структурная схема аналогового входа АЦП:

Здесь Rs – это внутреннее сопротивление источника напряжения, ANx – линия порта микроконтроллера, обладающая емкостью Cpin и током утечки Iu. Внутренние соединения микроконтроллера имеют сопротивление Ric. Переключатель SS имеющий сопротивление Rss, подключает линию порта ANx к конденсатору Chold модуля АЦП. Коммутация переключателя SS производится при выборе аналогового канала, каждому каналу соответствует свой переключатель. Сопротивление переключателя защелки зависит от напряжения питания, график зависимости показан на рисунке справа.

Процесс измерения напряжения выглядит следующим образом: при выборе аналогового канала происходит коммутация переключателя SS, тем самым конденсатор Chold подключается к соответствующей линии порта микроконтроллера и начинает заряжаться. После получения команды начинается процесс преобразования, на время которого конденсатор отключается от линии порта.

После выбора аналогового канала битами CHS(2:0) регистра ADCON0, необходимо организовать определенную паузу (Tacq) перед началом преобразования, для того чтобы конденсатор Chold успел зарядиться. В технической документации приводится расчет этого времени, который представлен ниже:

В основном на время заряда влияет внутреннее сопротивление источника напряжения Rs, которое не должно превышать 10 кОм, для компенсации внутреннего тока утечки Iu, кроме этого влияние оказывает сопротивление переключателя защелки Rss и емкость самого конденсатора Chold, которая может различаться у различных моделей микроконтроллеров.

Время преобразования составляет 12Tad, где Tad это время получения одного бита, для корректного результата Tad не должно быть меньше 1,6 мкс. Время Tad в зависимости от частоты тактового генератора подбирается настройкой битов ADCS(2:0), в даташите на микроконтроллер для этого приводится таблица, где можно подобрать правильное значение. После окончания преобразования необходимо выдержать паузу не менее 2Tad перед началом нового преобразования, в течение этого времени конденсатор Chold не подключен к выбранной линии порта микроконтроллера. В принципе, если аналоговый канал не меняется и частота преобразований небольшая (время между преобразованиями больше чем Tacq+2Tad), можно и не рассчитывать временные задержки Tacq, 2Tad, и забыть о них.

Чтобы использовать линии порта микроконтроллера для АЦП, необходимо их настроить как аналоговые входы битами ANS(7:0) регистра ANSEL, при этом линия порта должна быть настроена на вход битами регистра TRIS. После этого выбирается требуемый аналоговый канал.

Результат преобразования (10 бит) сохраняется в регистрах ADRESH и ADRESL. Эти регистры представляют собой спаренный 16-ти разрядный регистр, запись результата может выполняться с правым или левым выравниваем, как показано на картинке ниже. Настройка выравнивания осуществляется с помощью бита ADFM регистра ADCON0.

В качестве опорного напряжения может использоваться внешнее напряжение с вывода Vref, или внутреннее Vdd от источника питания, настройка осуществляется битом VCFG. Для увеличения точности результата опорное напряжение должно быть стабилизированным с минимальным уровнем пульсаций. При опорном напряжении Vref =5 В, получим дискретность 5В/1024=0,0049 В=4,9 мВ для 10-ти битного результата. Для получения 8-ми битного результата необходимо применить левое выравнивание и считывать только регистр ADRESH, в этом случае для Vref =5 В дискретность составит 5В/256=0,0195 В=9,5 мВ.

Включение модуля АЦП производится битом ADON регистра ADCON0, запуск преобразования осуществляется установкой бита GO/-DONE регистра ADCON0, который аппаратно сбрасывается после окончания преобразования, то есть проверкой этого бита можно определить конец преобразования.

Перейдем к рассмотрению 10-ти разрядного ШИМ (широтно-импульсная модуляция) в микроконтроллерах PIC16. ШИМ осуществляется посредством модуля CCP, который настраивается в регистре CCP1CON, и содержит 16-ти разрядный регистр CCPR1, состоящий из двух регистров CCPR1H и CCPR1L. Сигнал от модуля в режиме ШИМ передается на вывод CCP1 микроконтроллера, который должен быть настроен на выход. Для реализации ШИМ используется таймер TMR2, период ШИМ задается в регистре PR2, старшие 8 бит длительности импульса задаются в регистре CCPR1L , младшие 2 бита в регистре CCP1CON(5:4). Ниже представлена структурная схема модуля ШИМ:

Когда значение таймера TMR2 в процессе инкремента сравнивается с числом в регистре PR2, происходит обнуление TMR2, одновременно с этим устанавливается высокий логический уровень на выводе CCP1 (если длительность импульса в регистрах CCPR1L и CCP1CON равна нулю, высокий логический уровень не устанавливается). Также в этот момент происходит загрузка значения длительности импульса из регистров CCPR1L, CCP1CON в регистр CCPR1H и внутреннюю двухразрядную защелку, которые образуют буфер ШИМ.

Буферизация необходима для возможности записи нового значения длительности импульса в регистры CCPR1L, CCP1CON, без искажения предыдущего значения. Биты в регистре CCPR1L и CCP1CON(5:4) могут быть изменены в любое время, но значение в регистре CCPR1H не изменяется, пока не произойдет совпадение значений TMR2 и PR2. В ШИМ режиме регистр CCPR1H доступен только для чтения.

Таймер TMR2 и внутренний двухразрядный счетчик образуют условный 10-ти разрядный счетчик, при этом если TMR2 инкрементируется в каждом машинном цикле с частотой Fosc/4 (при коэффициенте предделителя 1:1), то внутренний двухразрядный счетчик тактируется за каждый период тактового генератора с частотой Fosc, тем самым получается условный 10-ти разрядный счетчик. Когда значение CCPR1H и внутренней двухразрядной защелки сравнивается со значением TMR2 и внутреннего двухразрядного счетчика, на выводе CCP1 устанавливается низкий логический уровень. Ниже можно увидеть временную диаграмму одного периода ШИМ:

Период ШИМ можно рассчитать по следующей формуле из даташита:

Tшим=(PR2+1) ×4×Tosc×(коэффициент предделителя TMR2)

По мне лучше переписать данное уравнение в более удобную форму:

Fшим=Fosc/(4×(PR2+1)×(коэффициент предделителя TMR2))

Подставляя частоту тактового генератора, например, в килогерцах, получим результирующую частоту ШИМ в тех же единицах, так как остальные параметры безразмерные. В даташите также приведена таблица с рассчитанными значениями частоты и разрешения ШИМ для частоты тактового генератора в 20 МГц:

Удобнее всего начинать расчет параметров ШИМ, выбрав требуемое разрешение, исходя из которого, можно рассчитать три возможных комбинации значения частоты ШИМ и выбрать наиболее подходящее.

Выполним несколько расчетов для частоты тактового генератора в 4 МГц. Значение разрешения ШИМ примем равным 8 бит, для получения наибольших частот ШИМ для заданной частоты тактового генератора, значение длительности импульса необходимо загружать в регистры CCPR1L и CCP1CON с “правым выравниванием”. То есть старшие 6 бит длительности импульса загружаем в биты (5:0) регистра CCPR1L (в 6-й и 7-й бит CCPR1L записываем нули), а младшие 2 бита длительности импульса в регистр CCP1CON(5:4) как показано на рисунке ниже:

При этом числовое значение для регистра PR2, определяющее период ШИМ, составит 0x3F=63. Посчитаем частоту ШИМ при коэффициенте предделителя TMR2 равного (1:1):

Fшим=4000 кГц/(4×(63+1)×1)=15,625 кГц

Для коэффициента предделителя TMR2 (1:4):

Fшим=4000 кГц/(4×(63+1)×4)=3,9 кГц

При коэффициенте (1:16) получим: Fшим=976 Гц.

Используя “левое выравнивание” можно получить наименьшие значения частот ШИМ для заданной частоты тактового генератора, при этом значение длительности импульса загружается только в регистр CCPR1L (в 5-й и 4-й бит CCP1CON записываем нули), как показано на рисунке ниже:

Числовое значение для регистра PR2 составит 0xFF=255, для коэффициентов предделителя TMR2 (1:1; 1:4; 1:16) получим частоты ШИМ 3,9 кГц; 976 Гц; 244 Гц. Подбор частоты путем различного “выравнивания” возможен, если только разрешение ШИМ меньше 10 бит. Таким образом, выбрав требуемое разрешение и варьируя частотой тактового генератора, коэффициентом предделителя TMR2, применяя различное “выравнивание”, можно подбирать различные частоты для ШИМ.

Теперь рассмотрим практическое применение модулей АЦП и ШИМ на основе 8-ми выводного микроконтроллера PIC12F683. Будем регулировать яркость светодиода мощностью в один ватт при помощи переменного резистора, схема представлена ниже:

Как видно из схемы, измерение напряжения производится на среднем выводе переменного резистора, линия микроконтроллера GP0/AN0 используется в качестве аналогового входа модуля АЦП. Напряжение на среднем выводе переменного резистора варьируется от 0 до 5В, для АЦП используется внутреннее опорное напряжение от источника питания Vdd, то есть 5В. Разрешение АЦП и ШИМ я настроил на 8 бит, это значение очень часто применяется в конструкциях. Полученный после преобразования байт передается в модуль ШИМ, сигнал от которого с вывода GP2/CCP1 передается на затвор полевого транзистора, который коммутирует светодиод.

Код программы представлен ниже, в принципе необходимо только настроить АЦП и ШИМ, а дальше все просто:

В первой части мы разобрали как можно прошить выбранный МК, как его правильно сконфигурировать, а так же научились работать с цифровыми портами.
Теперь пришло время рассмотреть остальную периферию микроконтроллера.

Все параметры работы МК задаются через установку определенных значений в регистрах специального назначения (SFR).
Как и конфигурационные биты, все существующие в выбранном МК регистры доступны нам в виде переменных благодаря подключенной библиотеке.

Что бы узнать, какие биты в каких регистрах нам потребуются для конкретного модуля — придется снова заглянуть в документацию.
Для примера, взглянем на таблицу регистров, имеющих отношение к цифровым входамвыходам порта B:

Считав значения регистра PORTB мы получим текущий логический уровень на каждой ножке порта.
Запись в регистр устанавливает указанный уровень на соответсующих ножках порта.
Каждый бит регистра нам доступен в виде отдельной переменной, именно через них мы управляли светодиодом и считывали состояние кнопки.

Регистр TRISB отвечает за направление данных через порт. Каждый из 8 битов регистра привязан к соответсвующей ножке МК.
Присвоив нужному биту единицу — мы сделаем из него вход, а присвоив ноль — выход.
Именно в этом регистре мы меняли биты через переменные pin_Bx_direction.

В регистре OPTION_REG к порту относится только старший бит:

RBPU: PORTB Pull-up Enable bit
1 = PORTB pull-ups are disabled
0 = PORTB pull-ups are enabled by individual port latch values

При желании узнать принцип работы конкретного модуля поближе всегда можно найти в документации принципиальную схему.

Прерывания

Так как микроконтроллеры не поддерживают многозадачность, возникает ряд проблем по совмещению нескольких процессов.

Допустим, нужно нам мигать одним светодиодом постоянно с большим периодом, а второй переключать по нажатию кнопки.
Какой бы порядок действий мы не выбрали, как надо у нас ничего не заработает: ведь пока микроконтролер отсчитывает время до переключения первого светодиода он может пропустить факт нажатия кнопки.

Читайте также:  Указать назначение шин usb

Тут нам и придут на помощь прерывания.
При определенных условиях микроконтроллер может прервать выполнение бесконечного цикла и выполнить небольшую подпрограмму, после чего вернуться к выполнению основной задачи.

В выбранном нами МК 16f628a имеется 10 возможных источников прерываний:

  • внешний источник прерываний INT
  • изменение уровня сигнала на цифровых входах RB4:7
  • переполнение таймера TMR0
  • переполнение таймера TMR1
  • совпадение TMR2 и PR2
  • завершение записи в EEPROM
  • изменение выходного уровня компаратора
  • получениезавершение отправки данных через USART
  • прерывания от модуля CCP

Прерывание по каждому источнику можно как разрешить, так и запретить индивидуально изменяя соответствуюющие биты в регистрах INTCON и PIE1.
Для разрешения прерываний, управляемых регистром PIE1 необоходимо разрешить прерывания от перифирии битом PEIE в регистре INTCON.
После выбора необходимых источников прерываний необходимо глобально разрешить прерывания битом GIE в регистре INTCON.

Для каждого прерывания имеется еще один бит в регистре INTCON или PIR1 — флаг прерывания.
При срабатывании прерывания соответсвующему флагу присваивается значение 1, по которому можно легко определить какое из прерываний сработало.
Сбрасывать флаги прерываний необходимо вручную после входа в обработчик прерываний, иначе при нескольких источниках разобрать кто конкретно его вызвал будет невозможно.

В качестве примера использования прерываний перепишем нашу программу по миганию светодиодом.
Воспользуемся источником прерываний INT. В зависимости от состояния бита INTEDG в регистре OPTION прерывание будет генерироваться либо по переднему фронту сигнала (переход с низкого уровня к высокому), либо по заднему.
Для изменения уровня сигнала на INT неободимо перенести кнопку на соответсвующую ногу (pin 6).

include 16f628a — target PICmicro

pragma target clock 4_000_000 — указываем рабочую частоту, необходимо для некоторых функций расчета времени
— конфигурация микроконтролера
pragma target OSC INTOSC_NOCLKOUT — используем внутренний кварц
pragma target WDT disabled — сторожевой таймер отключен
pragma target PWRTE disabled — таймер питания отключен
pragma target MCLR external — внешний сброс активен
pragma target BROWNOUT disabled — сбос при падении питания отключен
pragma target LVP disabled — программирование низким напряжением отключено
pragma target CPD disabled — защита EEPROM отключена
pragma target CP disabled — защита кода отключена

enable_digital_io() — переключение всех входоввыходов на цифровой режим

alias led is pin_B5 — светодиод подключен к RB5
pin_B5_direction = output — настраиваем RB5 как цифровой выход

alias button is pin_B0 — кнопка подключена к RB0
pin_B0_direction = input — настраиваем RB0 как вход
var volatile bit led_blink = false — объявляем переменную
— настраиваем прерывание
INTCON_INTE = on — разрешаем прерывание по изменению сигнала на INT
INTCON_INTF = off — сбрасываем флаг прерывания по INT
OPTION_REG_INTEDG = 0 — генерировать прерывания при переходе 1->0
INTCON_GIE = on — включаем обработку прерываний
— обработчик прерывания INT
procedure INT_ISR is
pragma
interrupt
if INTCON_INTF then — проверяем флаг нужного нам прерывания
INTCON_INTF = off — сбрасываем флаг прерывания
led_blink = !led_blink — перключаем флаг светодиода
end if
end procedure
led = off — выключаем светодиод
forever loop
led = off — выключаем светодиод
_usec_delay( 100000 ) — ждем 0,1 сек
if led_blink then — моргаем только при активном флаге
led = on — ждем 0,1 сек
_usec_delay( 100000 ) — ждем 0,1 сек
end if
end loop

Увы, это не самый оптимальный вариант по двум причинам:

  • из-за дребезга контактов кнопки прерывание может сработать несколько раз подряд, дребезг желательно подавлять программно
  • в основном цикле программы у нас остались паузы, во время которых микроконтролер ничего не делает, кроме как ждет.

Таймеры

Основная работа таймеров — считать. По завершению счета они могут генерировать прерывание. А так как счет идет аппаратно, не забивая процессорное время ожиданием, таймеры удачно подходят на замену нашим паузам.
Каждый из трех таймеров имеет свои особенности, потому для выполнение определенных задач нужно уметь выбрать более подходящий.

  • 8-битный таймер (считает от 0 до 255)
  • тактируется либо от системной частоты, либо от внешнего источника
  • может считать как передние, так и задние фронты тактируемого сигнала
  • 8-битный предделитель (может считать каждый второй, каждый 4… каждый 256 сигнал)
  • прерывание генирируется при переполнении (при переходе от 255 к 0)
  • таймер работает постоянно

Что нам это дает?
При тактировании от системной частоты (в нашем случае — 4 MHz/4 = 1 Mhz) таймер будет генерировать прерывания с постоянной частотой.
Не сложно посчитать, что без предделителя прерывания будут иметь частоту 3906,25 Гц. Для светодиода — многовато.
Предделитель может на порядок (двойчный, т.е. в 2 раза) уменьшить частоту восемь раз.
При предделителе 1:256 мы получим частоту в 15.3 Гц. Мигание светодиодом с такой частотой вполне различимо человеческим глазом.
При тактировании МК от внешнего кварца можно добиться другого диапазона частот.

При тактировании таймера от внешнего источника таймер превращается в счетчик внешних импульсов. В принципе счета ничего не меняется, просто в зависимости от источника может не получиться постоянная частота прерываний. Счетчиком можно считать количество нажатий кнопки, оборотов колеса и пр. При этом никто не обязывает считать от нуля до прерывания: текущее значение счетчика всегда доступно как для чтения, так и для записи.

При желании в режиме таймера можно увеличить частоту прерываний изменяя стартовое значение счетчика при каждом прерывании, но так как за время перехода на процедуру обработки уйдет неизвестное время, точно расчитать частоту не удастся.

Основные отличия таймера от TMR0:

  • данный таймер 16-битный
  • таймер может тактироваться не только от внешнего источника, но и от дополнительного часового кварца
  • максимально доступный предделитель — 1:8
  • таймер может считать только передние фронты сигнала
  • таймер может использоваться модулем CCP
  • таймер можно отключать

Использовать TMR1 можно так же, как и TMR0: или для генерирования определенной частоты, или для подсчета импульсов.

Данный 8-битный таймер имеет несколько иной принцип работы.
Тактироваться он может только от системной частоты. Предделитель может быть выставлен только на значения 1:1, 1:4 или 1:16.
Полученные импульсы таймер считает от нуля и до предварительно заданного значения PR2.
После совпадения TMR2 и PR2 подается сигнал на 4-битный постделитель, и только после переполнения постделителя генерируется прерывание.
Благодаря такой схеме можно корректировать конечную частоту прерываний с минимальным шагом.

Помимо постделителя, сигнал при совпадении PR2 может идти на модуль CCP в качестве базы тайминга ШИМ.
Как и TMR1, данный таймер можно отключить.

Пример использования

В качестве примера зададим частоту мигания светодиода таймером TMR1.
Список всех необходимых переменных можно узнать из таблицы:

Описание каждого бита можно найти в документации на микроконтроллер.

include 16f628a — target PICmicro

pragma target clock 4_000_000 — указываем рабочую частоту, необходимо для некоторых функций расчета времени
— конфигурация микроконтролера
pragma target OSC INTOSC_NOCLKOUT — используем внутренний кварц
pragma target WDT disabled — сторожевой таймер отключен
pragma target PWRTE disabled — таймер питания отключен
pragma target MCLR external — внешний сброс активен
pragma target BROWNOUT disabled — сбос при падении питания отключен
pragma target LVP disabled — программирование низким напряжением отключено
pragma target CPD disabled — защита EEPROM отключена
pragma target CP disabled — защита кода отключена

enable_digital_io() — переключение всех входоввыходов на цифровой режим

alias led is pin_B5 — светодиод подключен к RB5
pin_B5_direction = output — настраиваем RB5 как цифровой выход

— настраиваем таймер
T1CON_T1CKPS = 0b_11 — предделитель, 2 бита
T1CON_TMR1CS = 0 — тактирование от системной частоты
PIE1_TMR1IE = on — разрешаем прерывание от TMR1
PIR1_TMR1IF = off — сбрасываем флаг прерывания от TMR1
INTCON_PEIE = on — разрешаем прерывания от периферии
T1CON_TMR1ON = on — включаем таймер
INTCON_GIE = on — включаем обработку прерываний


;таймер тактируется от Fosc/4 : 4MHz/4 = 1 Mhz
;предделитель установлен на 1:8 : 1Mhz/8 = 125 kHz
;таймер – 16 бит : 125 kHz/65536 = 1.9 Hz
;светодиод включится и выключится за 2 прерывания : итоговая частота моргания 0,95 Hz

— обработчик прерывания TMR1
procedure TMR1_ISR is
pragma
interrupt
if PIR1_TMR1IF then — проверяем флаг нужного нам прерывания
PIR1_TMR1IF = off — сбрасываем флаг прерывания
led = !led — переключаем состояние светодиода
end if
end procedure

forever loop
— полностью свободный основной цикл
end loop

Модуль CCP (Capture/Compare/PWM) предназначен для измерения и формирования импульсных сигналов.

Capture

В режиме захвата модуль использует TMR1 в качестве измерителя времени. Как только на ножке CCP1 (pin 9) возникнет отслеживаемое событие, модуль сохранит текущее 16-битное значение TMR1 в регистры CCPR1H:CCPR1L.
Такими событиями могут быть:

  • каждый задний фронт сигнала
  • каждый передний фронт сигнала
  • каждый четвертый передний фронт
  • каждый 16 передний фронт

Комбинируя события и высчитывая разность между полученными значениями таймера можно получить такие данные сигнала, как период, длительность импульсов или скважность. Например, некторые акселерометры передают информацию о полученном ускорении изменением скважности сигнала.

Compare

В режиме сравнения модуль рабоает в обратном направлении: как только значение в регистрах CCPR1H:CCPR1L совпадет с текущим значением TMR1, модуль может выставить 1 или 0 на ножке CCP1 (pin 9) или просто сгенерировать прерывание. Так же при совпадении модуль может обнулить TMR1.
Замеряя необходимые промежутки времени можно формировать импульсы определенной формы. Например, для управления положением сервомашинки требуется подавать на сигнальную линию импульсы высокого уровня длиной 700-2200 мкс с частотой 50 Hz. В зависимости от длины импульса серво установит свое положение либо в одно крайнее положение (700 мкс), либо в другое (2200 мкс), либо приблизительно по центру (1500 мкс).

В режиме ШИМ модуль самостоятельно формирует сигнал с частотой, генерируемой таймером TMR2, и заданной 10-битной скважностью.

Что такое ШИМ-сигнал?
Микроконтроллер может выдавать только цифровой сигнал — логические 1 и 0.
В ШИМ сигнале с постоянной частотой первую часть периода на выход подается 1, а вторую часть — 0. Меняя соотношение длительности обоих частей меняется скважность сигнала. Скважность ШИМ — это соотношение продолжительности импульса логической единицы и периода ШИМ. 10-битный ШИМ может обеспечить точность изменения скважности в 1/1024 длительности периода.

Читайте также:  Список антивирусов для windows

Как этим можно пользоваться?
Так как частота сигнала достаточно велика, то низкоскоростным нагрузкам будет казаться, что они получают напряжение, равное проценту скважности от максимума. Таким образом из ШИМ у нас выйдет обычный аналоговый выход с диапазоном напряжения от 0 до Vdd (в нашем случае — 5В).

Для высокоскоростных нагрузок (к примеру, для светодиодов) ШИМ сигнал будет регулировать процент времени работы. Для человеческого глаза мигание светодиода с большой частотой и переменной скважностью будет казаться постоянным горением с переменной яркостью.

Для работы с ШИМ имеется библиотека, потому нам не потребуется особых усилий по расчетам и настройке регистров.
Пример использования библиотеки:

— настраиваем ШИМ
pin_CCP1_direction = output — настраиваем pin 9 как выход
include pwm_hardware — подключаем библиотеку, упрощающую работу с ШИМ
pwm_max_resolution( 4 ) — устанавливаем значение предделителя TMR2 для выбора нужной частоты (976 Hz)
pwm1_on() — включаем ШИМ

var bit fade_type = 1 — переменная для направления изменения яркости
var byte i = 0 — переменная для текущего уровня яркости

forever loop
— меняем текущее значение
if fade_type then
i = i + 1
if i == 100 then
fade_type = 0
end if
else
i = i – 1
if i == 0 then
fade_type = 1
end if
end if
pwm1_set_percent_dutycycle(i) — применяем новое значение яркости
_usec_delay( 20000 ) — делаем паузу, иначе процесс изменения яркости будет очень быстрым
end loop

Компараторы

Вся работа компаратора заключается в том, что бы сравнить два напряжения и сказать какое из них больше. Сравнение происходит постоянно (при включенном модуле), при изменении результата сравнения может генерироваться прерывание.

В зависимости от настроек, компараторы могут работать в восьми режимах:

По схемам хорошо видно какие напряжения сравниваются в каждом режиме, стоит только пояснить что такое опорное напряжение Vref.

Источник опорного напряжения

Это еще один небольшой модуль, обычно требуется только для работы компараторов.
Единственная задача модуля — разделить напряжение питания до нужного значения.
Модуль представляет из себя простой делитель на 16 резисторах. Все, что он умеет — выделить пониженное до нужного значения напряжение из питания.
При питании 5В модуль может выдать напряжение от 0 до 3.6В.

EEPROM

В микроконтроллере 16f628a нам доступно 128 байт энергонезависимой памяти.

При использовании ассемблера нам пришлось бы много прочитать про порядок записи и чтения в память, нам же понадобится лишь подключить одну бибилотеку для работы с eeprom.

Для подключения библиотеки достаточно написать

после чего нам становится доступным ряд процедур и функций:

Единственное, о чем нужно помнить — о размере памяти. Записать dword по смещению 128 в данном случае не удастся.

USART

const serial_hw_baudrate = 2400 — задаем скорость
include serial_hardware — подключаем библиотеку
serial_hw_init() — производим настройку модуля

После настройки можно начинать принимать и передавать байты.

Для организации связи с компьютером можно использовать UART-COM и UART-USB адаптеры. Впрочем, никто не мешает собрать их самостоятельно по схемам:

Внешний кварц

Как было видно, внешний кварц необходим не всегда. Но бывают и такие случаи, когда требуется использовать внешний тактовый сигнал.

Подключать внешний кварц нужно к ногам OSC1 и OSC2 (pin16 и pin 15):


Для распространенных кварцев резистор не нужен, ёмкость конденсаторов выбирается в зависимости от частоты кварца. Так же в зависимости от частоты выбирается режим, выставляемый в конфигурационном бите OSC:

Вместо кварца можно так же использовать керамический резонатор, он уже содержит в себе конденсаторы — для подключения резонатора достаточно подсоединить третий контакт к земле.

Итоги

Вот мы и расмотрели основные возможности каждого модуля в микроконтроллере 16f628a. Конечно, в такой короткой статье невозможно описать все тонкости при работе с каждым модулем, при необходимости подробная информация о каждом модуле доступна в документации на каждый микроконтроллер.

С текущим набором перифирии можно выполнить довольно много разнообразных устройств, но иногда бывает проще перейти на более укомплектованный микроконтроллер. Благодаря универсальным библиотекам, начать работать с любым другим поддерживаемым МК не составит особого труда.

В первой части мы разобрали как можно прошить выбранный МК, как его правильно сконфигурировать, а так же научились работать с цифровыми портами.
Теперь пришло время рассмотреть остальную периферию микроконтроллера.

Все параметры работы МК задаются через установку определенных значений в регистрах специального назначения (SFR).
Как и конфигурационные биты, все существующие в выбранном МК регистры доступны нам в виде переменных благодаря подключенной библиотеке.

Что бы узнать, какие биты в каких регистрах нам потребуются для конкретного модуля — придется снова заглянуть в документацию.
Для примера, взглянем на таблицу регистров, имеющих отношение к цифровым входамвыходам порта B:

Считав значения регистра PORTB мы получим текущий логический уровень на каждой ножке порта.
Запись в регистр устанавливает указанный уровень на соответсующих ножках порта.
Каждый бит регистра нам доступен в виде отдельной переменной, именно через них мы управляли светодиодом и считывали состояние кнопки.

Регистр TRISB отвечает за направление данных через порт. Каждый из 8 битов регистра привязан к соответсвующей ножке МК.
Присвоив нужному биту единицу — мы сделаем из него вход, а присвоив ноль — выход.
Именно в этом регистре мы меняли биты через переменные pin_Bx_direction.

В регистре OPTION_REG к порту относится только старший бит:

RBPU: PORTB Pull-up Enable bit
1 = PORTB pull-ups are disabled
0 = PORTB pull-ups are enabled by individual port latch values

При желании узнать принцип работы конкретного модуля поближе всегда можно найти в документации принципиальную схему.

Прерывания

Так как микроконтроллеры не поддерживают многозадачность, возникает ряд проблем по совмещению нескольких процессов.

Допустим, нужно нам мигать одним светодиодом постоянно с большим периодом, а второй переключать по нажатию кнопки.
Какой бы порядок действий мы не выбрали, как надо у нас ничего не заработает: ведь пока микроконтролер отсчитывает время до переключения первого светодиода он может пропустить факт нажатия кнопки.

Тут нам и придут на помощь прерывания.
При определенных условиях микроконтроллер может прервать выполнение бесконечного цикла и выполнить небольшую подпрограмму, после чего вернуться к выполнению основной задачи.

В выбранном нами МК 16f628a имеется 10 возможных источников прерываний:

  • внешний источник прерываний INT
  • изменение уровня сигнала на цифровых входах RB4:7
  • переполнение таймера TMR0
  • переполнение таймера TMR1
  • совпадение TMR2 и PR2
  • завершение записи в EEPROM
  • изменение выходного уровня компаратора
  • получениезавершение отправки данных через USART
  • прерывания от модуля CCP

Прерывание по каждому источнику можно как разрешить, так и запретить индивидуально изменяя соответствуюющие биты в регистрах INTCON и PIE1.
Для разрешения прерываний, управляемых регистром PIE1 необоходимо разрешить прерывания от перифирии битом PEIE в регистре INTCON.
После выбора необходимых источников прерываний необходимо глобально разрешить прерывания битом GIE в регистре INTCON.

Для каждого прерывания имеется еще один бит в регистре INTCON или PIR1 — флаг прерывания.
При срабатывании прерывания соответсвующему флагу присваивается значение 1, по которому можно легко определить какое из прерываний сработало.
Сбрасывать флаги прерываний необходимо вручную после входа в обработчик прерываний, иначе при нескольких источниках разобрать кто конкретно его вызвал будет невозможно.

В качестве примера использования прерываний перепишем нашу программу по миганию светодиодом.
Воспользуемся источником прерываний INT. В зависимости от состояния бита INTEDG в регистре OPTION прерывание будет генерироваться либо по переднему фронту сигнала (переход с низкого уровня к высокому), либо по заднему.
Для изменения уровня сигнала на INT неободимо перенести кнопку на соответсвующую ногу (pin 6).

include 16f628a — target PICmicro

pragma target clock 4_000_000 — указываем рабочую частоту, необходимо для некоторых функций расчета времени
— конфигурация микроконтролера
pragma target OSC INTOSC_NOCLKOUT — используем внутренний кварц
pragma target WDT disabled — сторожевой таймер отключен
pragma target PWRTE disabled — таймер питания отключен
pragma target MCLR external — внешний сброс активен
pragma target BROWNOUT disabled — сбос при падении питания отключен
pragma target LVP disabled — программирование низким напряжением отключено
pragma target CPD disabled — защита EEPROM отключена
pragma target CP disabled — защита кода отключена

enable_digital_io() — переключение всех входоввыходов на цифровой режим

alias led is pin_B5 — светодиод подключен к RB5
pin_B5_direction = output — настраиваем RB5 как цифровой выход

alias button is pin_B0 — кнопка подключена к RB0
pin_B0_direction = input — настраиваем RB0 как вход
var volatile bit led_blink = false — объявляем переменную
— настраиваем прерывание
INTCON_INTE = on — разрешаем прерывание по изменению сигнала на INT
INTCON_INTF = off — сбрасываем флаг прерывания по INT
OPTION_REG_INTEDG = 0 — генерировать прерывания при переходе 1->0
INTCON_GIE = on — включаем обработку прерываний
— обработчик прерывания INT
procedure INT_ISR is
pragma
interrupt
if INTCON_INTF then — проверяем флаг нужного нам прерывания
INTCON_INTF = off — сбрасываем флаг прерывания
led_blink = !led_blink — перключаем флаг светодиода
end if
end procedure
led = off — выключаем светодиод
forever loop
led = off — выключаем светодиод
_usec_delay( 100000 ) — ждем 0,1 сек
if led_blink then — моргаем только при активном флаге
led = on — ждем 0,1 сек
_usec_delay( 100000 ) — ждем 0,1 сек
end if
end loop

Увы, это не самый оптимальный вариант по двум причинам:

  • из-за дребезга контактов кнопки прерывание может сработать несколько раз подряд, дребезг желательно подавлять программно
  • в основном цикле программы у нас остались паузы, во время которых микроконтролер ничего не делает, кроме как ждет.

Таймеры

Основная работа таймеров — считать. По завершению счета они могут генерировать прерывание. А так как счет идет аппаратно, не забивая процессорное время ожиданием, таймеры удачно подходят на замену нашим паузам.
Каждый из трех таймеров имеет свои особенности, потому для выполнение определенных задач нужно уметь выбрать более подходящий.

  • 8-битный таймер (считает от 0 до 255)
  • тактируется либо от системной частоты, либо от внешнего источника
  • может считать как передние, так и задние фронты тактируемого сигнала
  • 8-битный предделитель (может считать каждый второй, каждый 4… каждый 256 сигнал)
  • прерывание генирируется при переполнении (при переходе от 255 к 0)
  • таймер работает постоянно
Читайте также:  Создаем домашнюю сеть с помощью роутера

Что нам это дает?
При тактировании от системной частоты (в нашем случае — 4 MHz/4 = 1 Mhz) таймер будет генерировать прерывания с постоянной частотой.
Не сложно посчитать, что без предделителя прерывания будут иметь частоту 3906,25 Гц. Для светодиода — многовато.
Предделитель может на порядок (двойчный, т.е. в 2 раза) уменьшить частоту восемь раз.
При предделителе 1:256 мы получим частоту в 15.3 Гц. Мигание светодиодом с такой частотой вполне различимо человеческим глазом.
При тактировании МК от внешнего кварца можно добиться другого диапазона частот.

При тактировании таймера от внешнего источника таймер превращается в счетчик внешних импульсов. В принципе счета ничего не меняется, просто в зависимости от источника может не получиться постоянная частота прерываний. Счетчиком можно считать количество нажатий кнопки, оборотов колеса и пр. При этом никто не обязывает считать от нуля до прерывания: текущее значение счетчика всегда доступно как для чтения, так и для записи.

При желании в режиме таймера можно увеличить частоту прерываний изменяя стартовое значение счетчика при каждом прерывании, но так как за время перехода на процедуру обработки уйдет неизвестное время, точно расчитать частоту не удастся.

Основные отличия таймера от TMR0:

  • данный таймер 16-битный
  • таймер может тактироваться не только от внешнего источника, но и от дополнительного часового кварца
  • максимально доступный предделитель — 1:8
  • таймер может считать только передние фронты сигнала
  • таймер может использоваться модулем CCP
  • таймер можно отключать

Использовать TMR1 можно так же, как и TMR0: или для генерирования определенной частоты, или для подсчета импульсов.

Данный 8-битный таймер имеет несколько иной принцип работы.
Тактироваться он может только от системной частоты. Предделитель может быть выставлен только на значения 1:1, 1:4 или 1:16.
Полученные импульсы таймер считает от нуля и до предварительно заданного значения PR2.
После совпадения TMR2 и PR2 подается сигнал на 4-битный постделитель, и только после переполнения постделителя генерируется прерывание.
Благодаря такой схеме можно корректировать конечную частоту прерываний с минимальным шагом.

Помимо постделителя, сигнал при совпадении PR2 может идти на модуль CCP в качестве базы тайминга ШИМ.
Как и TMR1, данный таймер можно отключить.

Пример использования

В качестве примера зададим частоту мигания светодиода таймером TMR1.
Список всех необходимых переменных можно узнать из таблицы:

Описание каждого бита можно найти в документации на микроконтроллер.

include 16f628a — target PICmicro

pragma target clock 4_000_000 — указываем рабочую частоту, необходимо для некоторых функций расчета времени
— конфигурация микроконтролера
pragma target OSC INTOSC_NOCLKOUT — используем внутренний кварц
pragma target WDT disabled — сторожевой таймер отключен
pragma target PWRTE disabled — таймер питания отключен
pragma target MCLR external — внешний сброс активен
pragma target BROWNOUT disabled — сбос при падении питания отключен
pragma target LVP disabled — программирование низким напряжением отключено
pragma target CPD disabled — защита EEPROM отключена
pragma target CP disabled — защита кода отключена

enable_digital_io() — переключение всех входоввыходов на цифровой режим

alias led is pin_B5 — светодиод подключен к RB5
pin_B5_direction = output — настраиваем RB5 как цифровой выход

— настраиваем таймер
T1CON_T1CKPS = 0b_11 — предделитель, 2 бита
T1CON_TMR1CS = 0 — тактирование от системной частоты
PIE1_TMR1IE = on — разрешаем прерывание от TMR1
PIR1_TMR1IF = off — сбрасываем флаг прерывания от TMR1
INTCON_PEIE = on — разрешаем прерывания от периферии
T1CON_TMR1ON = on — включаем таймер
INTCON_GIE = on — включаем обработку прерываний


;таймер тактируется от Fosc/4 : 4MHz/4 = 1 Mhz
;предделитель установлен на 1:8 : 1Mhz/8 = 125 kHz
;таймер – 16 бит : 125 kHz/65536 = 1.9 Hz
;светодиод включится и выключится за 2 прерывания : итоговая частота моргания 0,95 Hz

— обработчик прерывания TMR1
procedure TMR1_ISR is
pragma
interrupt
if PIR1_TMR1IF then — проверяем флаг нужного нам прерывания
PIR1_TMR1IF = off — сбрасываем флаг прерывания
led = !led — переключаем состояние светодиода
end if
end procedure

forever loop
— полностью свободный основной цикл
end loop

Модуль CCP (Capture/Compare/PWM) предназначен для измерения и формирования импульсных сигналов.

Capture

В режиме захвата модуль использует TMR1 в качестве измерителя времени. Как только на ножке CCP1 (pin 9) возникнет отслеживаемое событие, модуль сохранит текущее 16-битное значение TMR1 в регистры CCPR1H:CCPR1L.
Такими событиями могут быть:

  • каждый задний фронт сигнала
  • каждый передний фронт сигнала
  • каждый четвертый передний фронт
  • каждый 16 передний фронт

Комбинируя события и высчитывая разность между полученными значениями таймера можно получить такие данные сигнала, как период, длительность импульсов или скважность. Например, некторые акселерометры передают информацию о полученном ускорении изменением скважности сигнала.

Compare

В режиме сравнения модуль рабоает в обратном направлении: как только значение в регистрах CCPR1H:CCPR1L совпадет с текущим значением TMR1, модуль может выставить 1 или 0 на ножке CCP1 (pin 9) или просто сгенерировать прерывание. Так же при совпадении модуль может обнулить TMR1.
Замеряя необходимые промежутки времени можно формировать импульсы определенной формы. Например, для управления положением сервомашинки требуется подавать на сигнальную линию импульсы высокого уровня длиной 700-2200 мкс с частотой 50 Hz. В зависимости от длины импульса серво установит свое положение либо в одно крайнее положение (700 мкс), либо в другое (2200 мкс), либо приблизительно по центру (1500 мкс).

В режиме ШИМ модуль самостоятельно формирует сигнал с частотой, генерируемой таймером TMR2, и заданной 10-битной скважностью.

Что такое ШИМ-сигнал?
Микроконтроллер может выдавать только цифровой сигнал — логические 1 и 0.
В ШИМ сигнале с постоянной частотой первую часть периода на выход подается 1, а вторую часть — 0. Меняя соотношение длительности обоих частей меняется скважность сигнала. Скважность ШИМ — это соотношение продолжительности импульса логической единицы и периода ШИМ. 10-битный ШИМ может обеспечить точность изменения скважности в 1/1024 длительности периода.

Как этим можно пользоваться?
Так как частота сигнала достаточно велика, то низкоскоростным нагрузкам будет казаться, что они получают напряжение, равное проценту скважности от максимума. Таким образом из ШИМ у нас выйдет обычный аналоговый выход с диапазоном напряжения от 0 до Vdd (в нашем случае — 5В).

Для высокоскоростных нагрузок (к примеру, для светодиодов) ШИМ сигнал будет регулировать процент времени работы. Для человеческого глаза мигание светодиода с большой частотой и переменной скважностью будет казаться постоянным горением с переменной яркостью.

Для работы с ШИМ имеется библиотека, потому нам не потребуется особых усилий по расчетам и настройке регистров.
Пример использования библиотеки:

— настраиваем ШИМ
pin_CCP1_direction = output — настраиваем pin 9 как выход
include pwm_hardware — подключаем библиотеку, упрощающую работу с ШИМ
pwm_max_resolution( 4 ) — устанавливаем значение предделителя TMR2 для выбора нужной частоты (976 Hz)
pwm1_on() — включаем ШИМ

var bit fade_type = 1 — переменная для направления изменения яркости
var byte i = 0 — переменная для текущего уровня яркости

forever loop
— меняем текущее значение
if fade_type then
i = i + 1
if i == 100 then
fade_type = 0
end if
else
i = i – 1
if i == 0 then
fade_type = 1
end if
end if
pwm1_set_percent_dutycycle(i) — применяем новое значение яркости
_usec_delay( 20000 ) — делаем паузу, иначе процесс изменения яркости будет очень быстрым
end loop

Компараторы

Вся работа компаратора заключается в том, что бы сравнить два напряжения и сказать какое из них больше. Сравнение происходит постоянно (при включенном модуле), при изменении результата сравнения может генерироваться прерывание.

В зависимости от настроек, компараторы могут работать в восьми режимах:

По схемам хорошо видно какие напряжения сравниваются в каждом режиме, стоит только пояснить что такое опорное напряжение Vref.

Источник опорного напряжения

Это еще один небольшой модуль, обычно требуется только для работы компараторов.
Единственная задача модуля — разделить напряжение питания до нужного значения.
Модуль представляет из себя простой делитель на 16 резисторах. Все, что он умеет — выделить пониженное до нужного значения напряжение из питания.
При питании 5В модуль может выдать напряжение от 0 до 3.6В.

EEPROM

В микроконтроллере 16f628a нам доступно 128 байт энергонезависимой памяти.

При использовании ассемблера нам пришлось бы много прочитать про порядок записи и чтения в память, нам же понадобится лишь подключить одну бибилотеку для работы с eeprom.

Для подключения библиотеки достаточно написать

после чего нам становится доступным ряд процедур и функций:

Единственное, о чем нужно помнить — о размере памяти. Записать dword по смещению 128 в данном случае не удастся.

USART

const serial_hw_baudrate = 2400 — задаем скорость
include serial_hardware — подключаем библиотеку
serial_hw_init() — производим настройку модуля

После настройки можно начинать принимать и передавать байты.

Для организации связи с компьютером можно использовать UART-COM и UART-USB адаптеры. Впрочем, никто не мешает собрать их самостоятельно по схемам:

Внешний кварц

Как было видно, внешний кварц необходим не всегда. Но бывают и такие случаи, когда требуется использовать внешний тактовый сигнал.

Подключать внешний кварц нужно к ногам OSC1 и OSC2 (pin16 и pin 15):


Для распространенных кварцев резистор не нужен, ёмкость конденсаторов выбирается в зависимости от частоты кварца. Так же в зависимости от частоты выбирается режим, выставляемый в конфигурационном бите OSC:

Вместо кварца можно так же использовать керамический резонатор, он уже содержит в себе конденсаторы — для подключения резонатора достаточно подсоединить третий контакт к земле.

Итоги

Вот мы и расмотрели основные возможности каждого модуля в микроконтроллере 16f628a. Конечно, в такой короткой статье невозможно описать все тонкости при работе с каждым модулем, при необходимости подробная информация о каждом модуле доступна в документации на каждый микроконтроллер.

С текущим набором перифирии можно выполнить довольно много разнообразных устройств, но иногда бывает проще перейти на более укомплектованный микроконтроллер. Благодаря универсальным библиотекам, начать работать с любым другим поддерживаемым МК не составит особого труда.

Комментировать
4 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector