Миниатюрные PIC контроллеры хороши для построения преобразователей интерфейсов последовательной передачи данных, для реализации функций «прием – обработка – передача данных» и несложных регуляторов систем автоматического управления.

Компания Microchip распространяет MPLAB - бесплатную интегрированную среду редактирования и отладки программ, которая записывает бинарные файлы в микроконтроллеры PIC через программаторы.

Взаимодействие MPLAB и Matlab/Simulink позволяет разрабатывать программы для PIC-контроллеров в среде Simulink - графического моделирования и анализа динамических систем. В этой работе рассматриваются средства программирования PIC контроллеров: MPLAB, Matlab/Simulink и программатор PIC-KIT3 в следующих разделах.

Характеристики миниатюрного PIC контроллера PIC12F629
Интегрированная среда разработки MPLAB IDE
Подключение Matlab/Simulink к MPLAB
Подключение программатора PIC-KIT3

Характеристики миниатюрного PIC-контроллера

Для примера, ниже даны характеристики недорогого компактного 8-разрядного контроллера PIC12F629 с многофункциональными портами, малым потреблением и широким диапазоном питания .

Архитектура: RISC
Напряжение питания VDD: от 2,0В до 5,5В (< 6,5В)
Потребление:
- <1,0 мА @ 5,5В, 4МГц
- 20 мкА (тип) @ 32 кГц, 2,0В
- <1,0 мкА (тип) в режиме SLEEP@2,0В
Рассеиваемая мощность: 0,8Вт
Многофункциональные каналы ввода/вывода: 6/5
Максимальный выходной ток портов GPIO: 125мА
Ток через программируемые внутренние подтягивающие резисторы портов: ≥50 (250) ≤400 мкА @ 5,0В
Разрядность контроллера: 8
Тактовая частота от внешнего генератора: 20 МГц
Длительность машинного цикла: 200 нс
Тактовая частота от внутреннего RC генератора: 4 МГц ±1%
Длительность машинного цикла: 1мкс
FLASH память программ: 1К
Число циклов стирание/запись: ≥1000
ОЗУ память данных: 64
EEPROM память данных: 128
Число циклов стирание/запись: ≥10K (-40оС ≤TA≤ +125 оС)
Аппаратные регистры специального назначения: 16
Список команд: 35 инструкций, все команды выполняются за один машинный цикл,
кроме команд перехода, выполняемых за 2 цикла
Аппаратный стек: 8 уровней
Таймер/счетчик ТМR0: 8-разрядный с предделителем
Таймер/счетчик ТМR1: 16-разрядный с предделителем

Сброс по включению питания (POR)
Таймер сброса (PWRTтаймер ожидания запуска генератора (OST
Сброс по снижению напряжения питания (BOD)
Сторожевой таймер WDT
Мультиплексируемый вывод -MCLR
Система прерываний по изменению уровня сигнала на входах
Индивидуально программируемые для каждого входа подтягивающие резисторы
Программируемая защита входа
Режим пониженного энергопотребления SLEEP
Выбор режима работы тактового генератора
Внутрисхемное программирование ICSP с использованием двух выводов
Четыре пользовательские ID ячейки

КМОП технология контроллера обеспечивает полностью статический режим работы, при котором остановка тактового генератора не приводит к потере логических состояний внутренних узлов.
Микроконтроллер PIC12F629 имеет 6-разрядный порт ввода/вывода GPIO. Один вывод GP3 порта GPIO работает только на вход, остальные выводы можно сконфигурировать для работы как на вход так и на выход. Каждый вывод GPIO имеет индивидуальный бит разрешения прерываний по изменению уровня сигнала на входах и бит включения внутреннего подтягивающего резистора.

Интегрированная среда разработки MPLAB IDE

Бесплатные версии MPLAB (включая MPLAB 8.92) хранятся на сайте компании Microchip в разделе «DOWNLOAD ARCHIVE».

Создание проекта

Пример создания проекта программ PIC контроллера в среде MPLAB включает следующие шаги .

1. Вызов менеджера проекта.

2. Выбор типа PIC микроконтроллера.

5. Подключение файлов к проекту в окне Project Wizard → Step Four можно не выполнять. Это можно сделать позднее, внутри активного проекта. Клавиша Next открывает следующее окно.

6. Завершение создания проекта (клавиша Finish).

В результате создания проекта FirstPrMPLAB интерфейс MPLAB принимает вид, показанный на Рис. 1.

Рис. 1 . Интерфейс среды MPLAB v8.92 и шаблон проекта.

Создание файла программы
Программу можно создать при помощи любого текстового редактора. В MPLAB имеется встроенный редактор, который обеспечивает ряд преимуществ, например, оперативный лексический анализ исходного текста, в результате которого в тексте цветом выделяются зарезервированные слова, константы, комментарии, имена, определенные пользователем.

Создание программы в MPLAB можно выполнить в следующей последовательности.

1. Открыть редактор программ: меню → File → New. Изначально программе присвоено имя Untitled.

2. Набрать или скопировать программу, например, на ассемблере.

Рис. 2 . Пример простейшей программы (на ассемблере) вывода сигналов через порты контроллера GP0, GP1, GP2, GP4, GP5 на максимальной частоте.

Запись ‘1’ в разряде регистра TRISIO переводит соответствующий выходной буфер в 3-е состояние, в этом случае порт GP может работать только на вход. Установка нуля в TRISIO настраивает работу порта GP на выход.

Примечание. По спецификации PIC12F629 порт GP3 микроконтроллера работает только на вход (соответствующий бит регистра TRISIO не сбрасывается – всегда находится в ‘1’).

Регистры TRISIO и GPIO находятся в разных банках области памяти. Переключение банков выполняется 5-м битом регистра STATUS.

Любая программа на ассемблере начинается директивой org и заканчивается директивой end. Переход goto Metka обеспечивает циклическое выполнение программы.

В программе (Рис. 2) используются следующие обозначения.

Директива LIST - назначение типа контроллера
Директива __CONFIG - установка значений битов конфигурации контроллера
Директива equ - присвоение числового значения
Директива org 0 - начало выполнения программы с адреса 0
Команда bsf - устанавливает бит указанного регистра в 1
Команда bсf - сбрасывает бит указанного регистра в 0
Команда movlw - записывает константу в регистр W
Команда movwf - копирует содержимое регистра W в указанный регистр
Команда goto - обеспечивает переход без условия на строку с меткой
Директива end - конец программы

Непосредственно или через окно MPLAB: меню → Configure → Configuration Bits:

Где:

Бит 2-0 - FOSC2:FOSC0. Выбор тактового генератора
111 - Внешний RC генератор. Подключается к выводу GP5. GP4 работает как CLKOUT
110 - Внешний RC генератор. Подключается к выводу GP5. GP4 работает как ввод/вывод
101 - Внутренний RC генератор 4МГц. GP5 работает как ввод/вывод. GP4 - как CLKOUT
100 - Внутренний RC генератор 4МГц. GP5 и GP4 работают как ввод/вывод
011 - EC генератор. GP4 работает как ввод/вывод. GP5 - как CLKIN
010 - HC генератор. Резонатор подключается к GP4 и GP5
001 - XT генератор. Резонатор подключается к GP4 и GP5
000 - LP генератор. Резонатор подключается к GP4 и GP5

Бит 3 - WDTE: настройка сторожевого таймера (Watchdog Timer)
1 - WDTE включен
0 - WDTE выключен

Сторожевой таймер предохраняет микроконтроллер от зависания – перезапускает программу через определенный интервал времени если таймер не был сброшен. Период таймера устанавливается в регистре OPTION_REG. Обнуление сторожевого таймера вызывается командой CLRWDT.

Бит 4 - PWRTE: Разрешение работы таймера включения питания:
1 - PWRT выключен
0 - PWRT включен

Таймер задерживает микроконтроллер в состоянии сброса при подаче питания VDD.

Бит 5 - MCLR: Выбор режима работы вывода GP3/-MCLR
1 - работает как -MCLR
0 - работает как порт ввода-вывода GP3

Бит 6 - BODEN: Разрешение сброса по снижению напряжения питания (как правило < 2.0В)
1 - разрешен сброс BOR
0 - запрещен сброс BOR автоматически включается таймер

При разрешении сброса BOR автоматически включается таймер PWRT

Бит 7 - .CP: Бит защиты памяти программ от чтения программатором
1 Защита выключена
0 Защита включена

При выключения защиты вся память программ стирается

Бит 8 - .CPD: Бит защиты EPROM памяти данных
1 Защита выключена
0 Защита включена

После выключения защиты вся информация будет стерта

Бит 11-9 - Не используются: Читается как ‘1’.

Бит 13-12 - BG1:BG0. Биты калибровки сброса по снижению питания
00 - нижний предел калибровки
11 - верхний предел калибровки

Пример добавления программы к проекту показан на (Рис. 3).

Компиляция

Отладка программы

После запуска отладчика в окне Output (Рис. 1) появляется закладка MPLAB SIM, куда MPLAB выводит текущую информацию отладчика. Команды отладчика (Рис. 5) после запуска становятся активными.

Команды отладчика:

Run - Непрерывное выполнение программы до точки останова (Breakpoint) если таковая установлена.
Halt - Остановка программы на текущем шаге выполнения.
Animate - Анимация непрерывного выполнения программы.
Step Into - Выполнение по шагам (вызовы Call выполняются за один шаг).
Step Over - Выполнение по шагам включая команды вызовов Call.
Reset - Начальная установка программы. Переход указателя на первую команду.
Breakpoints - Отображение списка точек останова. Обработка списка.

При выполнении программы по шагам текущий шаг выделяется стрелкой (Рис. 6). Непрерывное выполнение программы останавливается командой Halt или достижением программой точки останова. Точка останова устанавливается/снимается в строке программы двойным щелчком.
Пример программы на ассемблере, которая с максимальной скоростью меняет состояние портов контроллера показан на Рис. 6 (справа). Программа передаёт в регистр портов GPIO данные b’10101010’ и b’01010101’. Поскольку в регистре GPIO передачу данных в порты контроллера выполняют не все разряды, а только 0,1,2,4 и 5, то состояние регистра GPIO (Рис. 6, слева) отличается значениями: b’00100010’ и b’00010101’.

Рис. 6 . Состояние регистров специального назначения контроллера на момент выполнения программы (слева) и выполняемая по шагам программа (справа).

В процессе отладки можно наблюдать за состоянием регистров, переменных, памяти в соответствующих окнах, открываемых в разделе View основного меню. В процессе отладки можно вносить изменения в код программы, содержимое регистров, памяти, изменять значения переменных. После изменения кода необходимо перекомпилировать программу. Изменение содержимого регистров, памяти и значения переменных (окна раздела View: Special Function Register, File Register, EEPROM, Watch) не требует перекомпиляции.

Входные сигналы портов модели микроконтоллера можно задать в разделе Debugger → Stimulus. Устанавливаемые состояния сигналов портов привязываются к времени (тактам) отладки.

Иногда результаты выполнения программы в режиме отладки не соответствуют выполнению этой же программы в реальном контроллере, так, например, отладчик программы (Рис. 6) без инструкций movlw 0x07 и movwf cmcon показывает, что выходы GP0 и GP1 регистра GPIO не изменяются - находятся в нулевом состоянии, содержимое регистра GPIO попеременно равно 0x14 и 0х20. Однако, контроллер, выполняющий программу без указанных инструкций, показывает на осциллографе циклическую работу всех пяти выходов: 0x15 и 0х22, включая GP0 и GP1 (см. Рис. 7).

Осциллограммы контроллера, выполняющего циклы программы Рис. 6 (Metka… goto Metka) показаны на Рис. 7.

Рис. 7 . Осциллограммы выхода GP0 (слева) и GP1 (справа) микроконтроллера PIC12F629, работающего от внутреннего 4МГц RC генератора. Программа (Рис. 6) формирует сигналы максимальной частоты на всех выходах контроллера. За период сигналов 5.3 мкс выполняется 5 команд (6 машинных циклов), амплитуда GP0 сигнала на осциллограмме равна 4.6В, измеренное программатором питание контроллера 4.75В.

Прошивка микроконтроллера

Примечание. В контроллер PIC12F629 записана заводская калибровочная константа настройки частоты внутреннего тактового генератора. При необходимости её можно прочитать и восстановить средствами MPLAB с использованием программатора.

Команды для работы с программатором и изменения его настроек находятся в меню MPLAB Programmer. Тип программатора в MPLAB выбирается в разделе: меню → Programmer → Select Programmer.

Прошивка микроконтроллера через программатор запускается командой: меню → Programmer → Program. Сообщение об успешной прошивке показано на Рис. 9.

Примечание: Во время прошивки микроконтроллера у программатора PIC-KIT3 мигает желтый светодиод.

Подключение MATLAB/SIMULINK к MPLAB

Пример Simulink программы PIC контроллера показан на Рис. 10.

Взаимодействие средств разработки и компиляции программ для PIC контроллеров в Simulink показано на Рис. 11 .

Для построения среды разработки необходимы следующие компоненты Matlab:

Simulink
Real-Time Workshop Embedded Coder
Real-Time Workshop

И Cи компилятор компании Microchip:

C30 для контроллеров PIC24, dsPIC30 и PIC33
или C32 для контроллеров серии PIC32

Установка компонентов Matlab

Для скачивания библиотеки необходимо зарегистрироваться. Программы поддерживают работу 100 микроконтроллеров из серий PIC 16MC, 24F, 30F, 32MC, 33F, 56GP, 64MC, 128MC, 128GP.
Бесплатные версии работают с Simulink моделями PIC контроллеров имеющих до 7 портов ввода-вывода.

Для установки dsPIC Toolbox - библиотеки блоков PIC контроллеров для Matlab/Simulink необходимо :

Скачать dsPIC Toolbox для требуемой версии Matlab.
Распаковать zip файл в папке, в которой будут установлены Simulink блоки.
Запустить Matlab.
Настроить текущий каталог Matlab на папку с распакованным файлом.
Открыть и запустить файл install_dsPIC_R2012a.m, например, кнопкой меню или клавишей клавиатуры.

Библиотеки dsPIC и примеры Simulink моделей устанавливаются в текущую папку Matlab (Рис. 12). Установленные блоки для моделирования PIC контроллеров доступны в разделе Embedded Target for Microchip dsPIC библиотеки Simulink (Рис. 13).

Для совместной компиляции Simulink модели средствами Matlab и MPLAB необходимо прописать в переменной окружения path Matlab с высшим приоритетом путь к каталогу MPLAB с файлами MplabOpenModel.m, MplabGetBuildinfo.m и getHardwareConfigs.m:

>>

Установка Си компилятора MPLAB

Примечание. Работа выполнена с версией v3.25 компилятора С30 для PIC24/dsPIC. Проверка показала, что следующая версия v3.30 не поддерживает совместную компиляцию моделей Matlab R2012a (dsPIC Toolbox) без ошибок.

Установочный exe файл создаёт в разделе c:\Program Files (x86)\Microchip\ новый каталог mplabc30 с файлами:

Последовательность Simulink программирования для PIC контроллеров

1. Создайте рабочий каталог и скопируйте в него *.mdl примеры из раздела example (см. Рис. 12).
2. Загрузите Matlab. Настройте его на рабочий каталог.
3. Включите в переменную окружения path Matlab с высшим приоритетом путь к MPLAB - каталогу c:\Program Files (x86)\Microchip\MPLAB IDE\Tools\MATLAB\:

>> path("c:\Program Files (x86)\Microchip\MPLAB IDE\Tools\MATLAB\",path)
Примечание: Использование команды >>path без аргументов приводит к отображению списка путей переменной path в окне команд (Command Window). Удалить путь из переменной path можно командой rmpath, например:

>>rmpath(" c:\Program Files\Microchip\MPLAB IDE\Tools\MATLAB\")
4. Создайте Simulink модель для PIC контроллера, используя блоки библиотеки «Embedded Target for Microchip dsPIC» (Рис. 13), или загрузите готовую модель, например, Servo_ADC.mdl.

Тип контроллера, для которого разрабатывается Simulink модель, выбирается из списка в блоке Master > PIC (Рис. 16, Рис. 10), который должен быть включен в состав модели.

5. Проверьте настройки конфигурации модели: Меню → Simulation → Configuration Parameters . В строке ввода System target file раздела Code Generation должен быть указан компилятор S-функций dspic.tlc (Рис. 17). Выбор dspic.tlc настраивает все остальные параметры конфигурации модели, включая шаг и метод интегрирования.

6. Откомпилируйте модель tmp_Servo_ADC.mdl. Запуск компилятора показан на Рис. 18.

В результате успешной компиляции (сообщение: ### Successful completion of build procedure for model: Servo_ADC) в текущем каталоге создаются HEX файл для прошивки PIC контроллера и MCP проект среды MPLAB (Рис. 19).

Запуск модели в Matlab/Simulink выполняется в окне модели кнопкой, условное время моделирования устанавливается в строке:

Управление компиляцией Simulink модели можно выполнять командами раздела Matlab/Simulink среды MPLAB, например, в следующем порядке.

1. Разработайте модель PIC контроллера в Matlab/Simulink. Сохраните модель.
2. Запустите MPLAB.
3. Выберите MPLAB меню → Tools → Matlab/Simulink и новый раздел появится в составе меню.

5. Откомпилируйте модель и создайте MCP проект командами Generate Codes или Generate Codes and Import Files. Перевод MDL модели в MCP проект выполняется TLC компилятором Matlab.
В результате создаётся проект MPLAB:

Со скриптами модели на языке Си.

6. Откройте проект: меню → Project → Open → Servo_ADC.mcp (Рис. 20).

Подключение программатора PIC-KIT3

Информацию об установленном драйвере программатора PIC-KIT3 можно запросить у менеджера устройств ОС Windows (Рис. 22).

Схема подключения микроконтроллера PIC12F629 к программатору PIC-KIT3 показана на Рис. 23.

Вывод PGM программатора для прошивки контроллеров PIC12F629 не используется. Наличие вывода PGM для разных типов PIC контроллеров показано на Рис. 24. Вывод PGM рекомендуется «притягивать» к общему проводу (GND), через резистор, номиналом 1К .

Индикация светодиодов программатора Olimex PIC-KIT3 показана в ниже:

Желтый - Красный - Состояние программатора
Вкл - Выкл - Подключен к USB линии
Вкл - Вкл - Взаимодействие с MPLAB
Мигает - Включен постоянно - Прошивка микроконтроллера

При питании микроконтроллера от программатора на линии VDD необходимо установить рабочее напряжение, например, 5В программой MPLAB (Menu → Programmer → Settings → Power), как показано на Рис. 25.

Примечание. При отсутствии напряжения на линии VDD MPLAB IDE выдает сообщение об ошибке: PK3Err0045: You must connect to a target device to use

Если программатор не может установить требуемое напряжение, например, 5В при его питании от USB, в которой напряжение меньше 5В, MPLAB IDE выдает сообщение об ошибке: PK3Err0035: Failed to get Device ID. В этом случае, сначала необходимо измерить напряжение программатора - считать его в закладке меню → Programmer → Settings → Status, а затем установить напряжение (не больше измеренного) в закладке меню → Programmer → Settings → Power.

Пример MPLAB сообщения успешного подключения микроконтроллера к программатору по команде меню → Programmer → Reconnect показан на Рис. 27.

Можно программировать не только отдельный PIC контроллер, но и контроллер, находящийся в составе рабочего устройства. Для программирования PIC контроллера в составе устройства необходимо предусмотреть установку перемычек и токоограничивающих резисторов как показано на Рис. 28 .

Заключение