Apostila Microcontrolador PIC, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

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APOSTILA DE MICROCONTROLADORES PIC E PEFIFÉRICOS [email protected]

APOSTILA DE

MICROCONTROLADORES

PIC E PERIFÉRICOS

Sandro Jucá

PROGRAMAÇÃO EM C PARA MICROCONTROLADORES PIC

Um microcontrolador é um sistema computacional completo, no qual estão incluídos internamente uma CPU (Central Processor Unit), memórias RAM (dados), flash (programa) e E^2 PROM, pinos de I/O (Input/Output), além de outros periféricos internos, tais como, osciladores, canal USB, interface serial assíncrona USART, módulos de temporização e conversores A/D, entre outros, integrados em um mesmo componente (chip).

O microcontrolador PIC® (Periferal Interface Controler), da Microchip Technology Inc. (empresa de grande porte, em Arizona, nos Estados Unidos da América), possui uma boa diversidade de recursos, capacidades de processamento, custo e flexibilidade de aplicações.

ASSEMBLY X LINGUAGEM C

A principal diferença entre uma linguagem montada (como assembly) e a linguagem de programação C está na forma como o programa objeto (HEX) é gerado. Em assembly, o processo usado é a montagem, portanto devemos utilizar um MONTADOR (assembler), enquanto que em linguagem C o programa é compilado. A compilação é um processo mais complexo do que a montagem. Na montagem, uma linha de instrução é traduzida para uma instrução em código de máquina. Já em uma linguagem de programação, não existem linhas de instrução, e sim estruturas de linguagem e expressões. Uma estrutura pode ser condicional, incondicional, de repetição, etc... As expressões podem envolver operandos e operadores mais complexos. Neste caso, geralmente, a locação dos registros de dados da RAM é feita pelo próprio compilador. Por isso, existe a preocupação, por paret do compilador, de demonstrar, após a compilação, o percentual de memória RAM ocupado, pois neste caso é relevante, tendo em vista que cada variável pode ocupar até 8 bytes (tipo double).

Para edição e montagem (geração do código HEX) de um programa em assembly, os softwares mais utilizados são o MPASMWIN (mais simples) e o MPLAB. Para edição e compilação em linguagem C (geração do código HEX), o programa mais utilizado é o PIC C Compiler CCS®.

Os microcontroladores PIC possuem apenas 35 instruções em assembly para a família de 12 bits (PIC12) e 14 bits (PIC16), descritas nas tabelas abaixo, e 77 instruções para a família de 16 bits (PIC18).

VANTAGENS X DESVANTAGENS

• O compilador C irá realizar o processo de tradução, permitindo uma programação mais amigável e mais fácil para desenvolvimento de aplicações mais complexas como, por exemplo, uso do canal USB e aplicações com o protocolo I^2 C.
• A linguagem C permite maior portabilidade, uma vez que um mesmo programa pode ser recompilado para um microcontrolador diferente, com o mínimo de alterações, ao contrário do ASSEMBLY, onde as instruções mudam muito entre os diversos modelos de microcontroladores existentes como PIC e 8051.
• Em C para microcontroladores PIC, não é necessário se preocupar com a mudança de banco para acessar os registros especiais da RAM como, por exemplo, as portas de I/O e os registros TRIS de comando de I/O dos pinos, isto é executado pelo próprio compilador.
• É possível incluir outro arquivo em C para servir como parte do seu programa atual como, por exemplo, incluir o arquivo LCD (#include <lcd.c>), desenvolvido por você anteriormente, para ser utilizado como função projeto atual.
• O ponto fraco da compilação em C é que o código gerado, muitas vezes, é maior do que um código gerado por um montador (assembler), ocupando uma memória maior de programa e também uma memória maior de dados. No entanto, para a maioria das aplicações sugeridas na área de automação industrial, a linguagem C para PIC se mostra a mais adequada, tendo em vista que a memória de programa tem espaço suficiente para estas aplicações.
• Outra desvantagem é que o programador não é “forçado” a conhecer as características internas do hardware, já que o mesmo se acostuma a trabalhar em alto nível, o que compromete a eficiência do programa e também o uso de todas as funções internas do microcontrolador.

ARQUITETURAS DE MICROCONTROLADORES

A arquitetura de um sistema digital define quem são e como as partes que compõe o sistema estão interligadas. As duas arquiteturas mais comuns para sistemas computacionais digitais são as seguintes:

• Arquitetura de Von Neuman: A Unidade Central de Processamento é interligada à memória por um único barramento (bus). O sistema é composto por uma única memória onde são armazenados dados e instruções;
• Arquitetura de Harvard: A Unidade Central de Processamento é interligada a memória de dados e a memória de programa por barramentos diferentes, de dados e de endereço. O PIC possui arquitetura Harvard com tecnologia RISC, que significa Reduced Instruction Set Computer (Computador com Conjunto de Instruções Reduzido). O barramento de dados é de 8 bits e o de endereço pode variar de 13 a 21 bits dependendo do modelo. Este tipo de

arquitetura permite que, enquanto uma instrução é executada, uma outra seja “buscada” na memória, ou seja, um PIPELINE (sobreposição), o que torna o processamento mais rápido.

O CONTADOR DE PROGRAMA (PC)

O contador de programa é responsável de indicar o endereço da memória de programa para que seu conteúdo seja transportado para a CPU para ser executado. Na família PIC16F ele contém normalmente 13 bits, por isso, pode endereçar os 8K words de 14 bits (o PIC16F877A possui exatamente 8K words de 14 bits, ou seja, 14 Kbytes de memória de programa). A família 18F ele possui normalmente 21 bits e é capaz e endereçar até 2 Megas words de 16 bits (o PIC18F2550 possui 16K words de 16 bits, ou seja, 32 Kbytes de memória de programa). Cada Word de 14 ou 16 bits pode conter um código de operação (opcode) com a instrução e um byte de dado.

BARRAMENTOS

Um barramento é um conjunto de fios que transportam informações com um propósito comum. A CPU pode acessar três barramentos: o de endereço, o de dados e o de controle. Como foi visto, cada instrução possui duas fases distintas: o ciclo de busca, quando a CPU coloca o conteúdo do PC no barramento de endereço e o conteúdo da posição de memória é colocado no Registro de instrução da CPU, e o ciclo de execução, quando a CPU executa o conteúdo colocado no registro de instrução e coloca-o na memória de dados pelo barramento de dados. Isso significa que quando a operação do microcontrolador é iniciada ou resetada, o PC é carregado com o endereço 0000h da memória de programa.

As instruções de um programa são gravadas em linguagem de máquina hexadecimal na memória de programa flash (ROM). No início da operação do microcontrolador, o contador de programa (PC) indica o endereço da primeira instrução da memória de programa, esta instrução é carregada, através do barramento de dados, no Registro de Instrução da CPU.

O Contador de Programa (PC) é incrementado automaticamente na fase Q1 do ciclo de máquina e a instrução seguinte é buscada da memória de programa e armazenada no registrador de instruções da CPU no ciclo Q4. Ela é decoficada e executada no próximo ciclo, no intervalo de Q1 e Q4. Essa característica de buscar a informação em um ciclo de máquina e executá-la no próximo, ao mesmo tempo em que outra instrução é “buscada”, é chamada de PIPELINE (sobreposição). Ela permite que quase todas as instruções sejam executadas em apenas um ciclo de máquina, gastando assim 1 μs (para um clock de 4 MHz) e tornando o sistema muito mais rápido. As únicas exeções referem-se às instruções que geram “saltos” no program counter, como chamadas de rotinas e retornos.

Ferramenta SanUSB

O circuito de desenvolvimento SanUSB é uma ferramenta composta de software e hardware básico de um PIC18F2550, mostrado abaixo. Esta ferramenta, com pedido de patente protocolado no INPI (Instituto Nacional de Propriedade Industrial) com o número 088503, é capaz de substituir:

1- Um equipamento específico para gravação de um programa no microcontrolador; 2- conversor TTL - EIA/RS-232 para comunicação serial bidirecional emulado através do protocolo CDC; 3- fonte de alimentação, já que a alimentação do PIC provém da porta USB do PC. É importante salientar que cargas indutivas como motores de passo ou com corrente acima de 400mA devem ser alimentadas por uma fonte de alimentação externa. 4- Conversor analógico-digital (AD) externo, tendo em vista que ele dispõe internamente de 10 ADs de 10 bits; 5- software de simulação, considerando que a simulação do programa e do hardware podem ser feitas de forma rápida e eficaz no próprio circuito de desenvolvimento ou com um protoboard auxiliar.

Além de todas estas vantagens, os laptops e alguns computadores atuais não apresentam mais interface de comunicação paralela e nem serial EIA/RS-232, somente USB. Como pode ser visto, esta ferramenta possibilita que a compilação, a gravação e a simulação real de um programa, como também a comunicação serial através da emulação de uma porta COM virtual, possam ser feitos de forma rápida e eficaz a partir do momento em o microcontrolador esteja conectado diretamente a um computador via USB.

Gravação com o SanUSB

A transferência de programas para os microcontroladores é normalmente efetuada através de um hardware de gravação específico. Através desta ferramenta, é possível efetuar a descarga de programas diretamente de qualquer porta USB de um PC. A representação básica do SanUSB é mostrada a seguir:

A figura abaixo mostra o PCB, disponível nos Arquivos do Grupo SanUSB, e o circuito para esta ferramenta com entrada para fonte de alimentação externa.

Para a programação do microcontrolador basta inserir, no inicio do programa em C, a biblioteca cabeçalho SanUSB (#include <SanUSB.h>) contida dentro da pasta SanUSB_User\Exemplos_SanUsb e deve ser adicionada dentro da pasta Drivers localizada na pasta instalada do compilador PICC. Essa biblioteca contém informações de na memória de programa do PIC18F2550 para o sistema operacional, configurações do fusíveis e habilitação do oscilador interno para CPU de 4MHz. Com esta freqüência cada incremento dos temporizadores corresponde a um microssegundo. O programa abaixo para piscar três leds conectados nos pinos B0, B6 e B7.

#include <SanUSB.h>

main(){ clock_int_4MHz();

while (TRUE) { output_high(pin_B0); // Pisca Led na função principal delay_ms(500); output_low(pin_B0); output_high(pin_B6); delay_ms(500); output_low(pin_B6); output_high(pin_B7); delay_ms(500); output_low(pin_B7); } }

Para executar a gravação In-Circuit nesta ferramenta SanUsb, é importante seguir os seguintes passos:

1. Copie a pasta SanUSB_User para um diretório raiz C ou D.

2. Para que o Windows identifique o PIC18F2550 como um dispositivo para o Bootloader através da USB, é necessário instalar o Driver sanusb_device da pasta DriverWinSanUsBoot. Clique no botão direito sobre Driver sanusb_device da pasta e clique em Instalar.
3. Conecte o Jump de gravação do circuito para a transferência de programa pelo software SanUSB.
4. Conecte o cabo USB entre o PIC e o PC. Se for a primeira vez, o windows irá perguntar onde está o Driver de instalação, então escolha a opção Instalar de uma lista ou local especifico (avançado). Após Avançar, selecione a opção Incluir este local na pesquisa e selecione a pasta DriverWinSanUsBoot, onde está o driver sanusb_device. Durante a instalação, o windows abrirá uma janela sobre a instalação, selecione a opção continuar assim mesmo e o Driver será instalado.
5. Abra o aplicativo SanUSB. Se estiver conectado corretamente, o led conectado no pino B0 ou B7 ascende (é apagado após o reset) e aparecerá a seguinte tela:
6. Clique em 1. Gravar novo programa e escolha o programa .hex que deseja gravar, como por exemplo, o programa compilado 30829USB_piscaBoot.hex da pasta Exemplos_SanUsb. Este programa pisca 3 leds conectados nos pinos B0, B6 e B7;
7. Após a gravação do programa, retire o jump do pino de gravação e clique em 2. Reset. Pronto o programa estará em operação.

Para programar novamente, basta colocar o jump de gravação, retire o jump de alimentação, coloque-o novamente e repita os passos anteriores a partir do passo 5.

Se a nova programação não funcionar, retire o conector USB do computador e repita os passos anteriores a partir do passo 3.

É importante salientar que, no SanUSB, o processador do programa foi configurado com o mesmo clock de entrada da USB com 48MHz a partir de um cristal de 20MHz. Dessa forma, para rotinas de tempo, deve-se inserir a diretiva #use delay(clock=48000000).

O exemplo abaixo mostra a leitura e escrita em um buffer da EEPROM interna do microcontrolador com emulação da serial através da USB:

#include <SanUSB.h>

#include ".\include\usb_san_cdc.h"// Biblioteca para comunicação serial

#rom int 0xf00000={'S','A','N'} // Escreve no endereço inicial da EEPROM interna(no 18F é 0xf00000)

BYTE i, j, endereco, valor; boolean led;

main() { clock_int_4MHz(); usb_cdc_init(); // Inicializa o protocolo CDC usb_init(); // Inicializa o protocolo USB usb_task(); // Une o periférico com a usb do PC //while(!usb_cdc_connected()) {} // espere enquanto o protocolo CDC não se conecta com o driver CDC //usb_wait_for_enumeration(); //espera até que a USB do Pic seja reconhecida pelo PC output_high(pin_b7); // Sinaliza comunicação USB Ok

while (1) { printf(usb_cdc_putc, "\r\n\nEEPROM:\r\n"); // Display contém os primeiros 64 bytes em hex for(i=0; i<=3; ++i) { for(j=0; j<=15; ++j) { printf(usb_cdc_putc, "%2x ", read_eeprom( i*16+j ) ); } printf(usb_cdc_putc, "\n\r"); } printf(usb_cdc_putc, "\r\nEndereco para escrever: "); endereco = gethex_usb(); printf(usb_cdc_putc, "\r\nNovo valor: "); valor = gethex_usb(); write_eeprom( endereco, valor ); led = !led; // inverte o led de teste output_bit (pin_b7,led); } }

Para que o Windows identifique o PIC como um dispositivo de entrada e saída USB, é necessário instalar o Driver CDC mchpcdc.inf, fornecido pela microchip, que contém as informações de identificação. Para instalar o driver, abra a pasta DriverSanWinCDC, selecione o arquivo mchpcdc.inf, clique com o botão direito e depois instalar. Por parte do microcontrolador, a pasta include, dentro de Exemplos_SanUsb, já contém bibliotecas CDC para conexão com o Driver CDC e para identificação do microcontrolador. Após gravação de um programa que utilize comunicação serial CDC no microcontrolador pelo SanUSB e resetar o microcontrolador, o sistema vai pedir a instalação do driver CDC (se for a primeira vez).

Escolha a opção Instalar de uma lista ou local especifico (avançado). Após Avançar, selecione a opção Incluir este local na pesquisa e selecione a pasta DriverSanWinCDC, onde está o driver CDC mchpcdc.inf.

Clique em Concluir para terminar a instalação.

Vá em painel de controle -> sistema -> Hardware -> Gerenciador de dispositivos -> Portas (COM & LPT) e confira qual é a porta COM virtual instalada.

Abrindo qualquer programa monitor de porta serial RS-232, como o SIOW do CCS, direcionando para a COM virtual instalada (COM3,COM4,COM5,etc.) em configuration > set port options entraremos em contato com o nosso PIC.

#include <SanUSB.h>

#include ".\include\usb_san_cdc.h"// Biblioteca para comunicação serial

BYTE comando; int mult=24; boolean led;

#int_timer void trata_t1 () {--mult; if (!mult) {mult=24; // 2 *(48MHz/4MHz) led = !led; // inverte o led de teste - pisca a cada 2 *12 interrupcoes = 1 seg. output_bit (pin_b6,led); set_timer1(3036 + get_timer1());}} // Conta 62.500 x 8 = 0,5s

main() { clock_int_4MHz(); usb_cdc_init(); // Inicializa o protocolo CDC usb_init(); // Inicializa o protocolo USB usb_task(); // Une o periférico com USB do PC printf(usb_cdc_putc, "\r\nINTERRUPCAO USB_CDC_GETC() PICSAN USB 2.0\r\n"); output_high(pin_b7); // Sinaliza comunicação USB Ok output_high(pin_b6); // Sinaliza Led interupção do timer enable_interrupts (global); // Possibilita todas interrupcoes enable_interrupts (int_timer1); // Habilita interrupcao do timer 1 setup_timer_1 ( T1_INTERNAL | T1_DIV_BY_8);// inicia o timer 1 em 8 x 62500 = 0,5s set_timer1(3036);

while (TRUE) { if (usb_cdc_kbhit(1)) //avisa se chegou dados do PC { //verifica se acabou de chegar um novo byte no buffer de recepção, depois o kbhit é zerado para próximo byte comando=usb_cdc_getc(); //se chegou, retém o caractere e compara com ‘L’ ou ‘D’ if (comando==’L’) {output_high(pin_b7); printf(usb_cdc_putc, “\r\nLed Ligado!\r\n”);} if (comando==’D’) {output_low(pin_b7); printf(usb_cdc_putc, “\r\nLed Desigado!\r\n”);} } output_high(pin_B0); // Pisca Led na função principal delay_ms(500); output_low(pin_B0); delay_ms(500);} }

Após gravar o programa, lembre de direcionar o monitor serial SIOW ou Hyperterminal para a COM virtual instalada (COM3,COM4,COM5,etc.) em configuration

set port options.

O CONVERSOR AD

O objetivo do conversor AD é converter um sinal analógico, geralmente de 0 a 5V, em equivalentes digitais. Como pode ser visto, algumas configurações permitem ainda que os pinos A3 e A2 sejam usados como referência externa positiva e negativa, fazendo com que uma leitura seja feita em uma faixa de tensão mais restrita como, por exemplo, de 1 a 3 Volts.

Em C, o conversor AD pode ser ajustado para resolução de 8 bits (#device adc= armazenando o resultado somente no registro ADRESH) ou 10 bits (#device adc=10). Para um conversor A/D com resolução de 10 bits e tensão de referência padrão de 5V, o valor de cada bit será igual a 5/(2^10 - 1) = 4,8876 mV, ou seja, para um resultado