Глава 14

14.Периферийные модули микроконтроллера PIC 16F877

иособенности их программирования

При практическом программировании микроконтроллеров PIC 16F877 в дополнение к приемам и методам, описанным при программировании микроконтроллера 16С52, необходимо дополнительно учитывать следующие факторы:

-наличие аппаратно подключенных к контактам портов микроконтроллера внешних устройств, например, в составе промышленного контроллера TTF 5.0, и соответственно невозможность изменения конфигурации и мультиплицирования этих контактов в процессе работы;

-наличие страничной организации памяти данных и команд, отличной от соответствующей организации 16С52 и механизмов косвенной адресации регистров в этом случае;

-наличие модульной структуры микроконтроллера, при которой кроме АЛУ, специальных регистров, РОН-ов и т.д., приведенных на рис. 8, в состав

16F877 входят дополнительные встроенные устройства, расширяющие его функциональность и называемое модулями. Их особенностью является то, что ими можно управлять (включать, выключать, конфигурировать и т.д.) с помощью определенных бит групп специальных регистров.

-возможность использования в asm-файле имен регистров и их отдель-

ных бит, зарезервированных и хранимых в специальном файле, «подключаемом»

кasm-файлу. Другими словами, при написании команд в теле ПО возможно использование имен регистров и их отдельных бит в соответствие с их описанием в структурных схемах модулей микроконтроллера.

Примечание: Компилятор среды MPLAB автоматически сгенерирует их адреса вместо имен. Например, вместо команды btfsc PIR1, RCIF будет сгенерирована стандартная команда btfsc 0х0С, 0х05. Однако, к этой «автоматической» замене следует относиться осторожно, т.к. ошибочная запись btfsc RCIF, PIR1 в этом случае не обнаруживается MPLABом (хотя и выводится предупреждающее сообщение о выходе значения за пределы разрешенного диапазона), интерпретируется как правильное и приводится к виду btfsc 0х05, 0х04. При этом вместо контроля состояния бита RCIF в регистре PIR1будет происходить контроль бита RA4 в регистре PORTA. Это происходит из-за «автоматической» замены в директивах RCIF equ 0x05, PIR1 equ 0x0C, но учитывая отсутствие бита с номером 0х0С в в8-ми разрядном регистре порта А, компилятор «добавляет» еще одну ошибку: он приводит число 0х0С по модулю 8 и «получает» бит с адресом 0х04.

Ниже будут рассмотрены особенности практического программирования PIC контроллера 16F877, при его работе в составе промышленного контроллера

TTF 5.0.

14.1 Страничный способ организации памяти данных микроконтроллера PIC 16F877

Страничный способ организации памяти данных предусматривает логическое распределение адресов регистров в виде 4-х последовательно расположен-

ных групп, называемых банками (или страницами) памяти. В случае PIC 16F877 вся физически реализованная статическая регистровая память общим

Другими словами, ПЕРЕД ЛЮБОЙ ОПЕРАЦИЕЙ С ЛЮБЫМ (кроме,

W) РЕГИСТРОМ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАДО УСТАНОВИТЬ НОМЕР БАНКА В КОТРОМ ОН НАХОДИТСЯ.

Примечание: при адресации некоторых специальных регистров (INDNF, PCL, STATUS, FSR, PCLATH, INTCON) не требуется предварительный выбор страницы памяти. Это связано с тем, что они расположены (дублированы) во ВСЕХ банках памяти с одинаковым относительным адресом (смещением по вертикали относительно начала страницы). Это сделано в тех случаях, когда биты этих регистров в той или иной мере управляют логическим распределением самих страниц. В случае же регистра W, адресация банка не нужна, т.к. он не входит в состав памяти данных.

На рис.128 приведена полная карта памяти данных контроллера PIC 16F877.

При ее использовании и адресации необходимо также учитывать следую-

щие особенности:

-помеченные значками «***********» регистры 1-го – 3-го банков следует исключить из обращения, т.к. хотя логически запись в них разрешена, но последующее их чтение дает результат 0х00, и, следовательно, использовать их в качестве РОН-ов для хранения данных невозможно;

-наличие в составе 1-3 банков «виртуальных» регистров (заштрихованных на рис. 127) в диапазоне адресов 0xF0-0xFF (для 1-го банка), 0x170-0x17F (для 2- го) и 0x1F0-0x1FF (для 3-го) содержимое которых «горизонтально отображается» на 16 реальных «нижних по карте» регистров общего назначения 0-го банка с адресами 0x70-0x7F. Их особенность состоит в том, что попытка записи в любой из них приводит к записи во все 4 регистра всех банков расположенных на карте по «одной горизонтали».

Пример:

bcf status, 0x06 bsf status, 0x05 movwf 0x172

указанный код запишет содержимое регистра W не только в 0х172-ой регистр банка 2, но и соответственно в 0х72-ой регистр 0-го банка, и в 0хF2-ой регистр 1- го банка, и в 0х1F2-ой регистр 3-го банка.

Имеет место и обратное «отображение», когда содержимое реальных регистров банка 0 (с адресами 0x70-0x7F) будет автоматически помещено во все «горизонтальные» регистры банков 1,2,3. Поэтому использование «виртуальных регистров» в качестве РОН-ов – ЗАПРЕЩЕНО.

- косвенная адресация РОН-ов отличается от случая одностраничной организации памяти (п. 6.3.3) и осуществляется в соответствие с рис. 128.1.

В этом случае 8-ми разрядный регистр FSR (как всегда, через регистр INDF) адресует 28 = 256 регистров, расположенных в одной из ПАР БАНКОВ, а НОМЕР ПАРЫ выбирает бит IRP регистра STATUS, таким образом, что при IRP=0 адресуются 256 регистров 0-го и 1-го банков, а при IRP=1 - соответственно 256 регистров 2-го и 3-го банков. Строго говоря, выбор страницы при

Рис. 128.1 Механизмы непосредственной и косвенной адресации при страничной организации памяти (на примере контроллера PIC 16F877)

косвенной адресации осуществляется двумя битами: старшим - IRP и младшим - 8-м битом регистра FSR (как и битами RP1,0 при непосредственной адресации). Но при практическом программировании достаточно (битом IRP) выбрать пару страниц, где находится требуемый регистр, т.к. выбор требуемой страницы из выбранной пары произойдет автоматически при записи 8-ми разрядного адреса в FSR. Это происходит в силу того, что пока 8-ой бит регистра FSR=0, происходит обращение к 128 регистрам ОЗУ «младшей» страницы пары (за счет 7-ми младших битов регистра FSR), выбранной битом IRP. Если же 8-ой бит регистра FSR=1, то аналогично адресуются 27=128 РОН-ов из «старшей» страницы этой же пары.

Ниже приведен исходный код ПО примера «обнуления ВСЕЙ памяти данных» с использованием косвенной адресации (пример носит исключительно УЧЕБНЫЙ характер). Реальный пример см. в «Методических указаниях к лаб. Работам по курсу ПЦУ».

14.2 Модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП) 14.2.1 Циклограмма работы АЦП, временные диаграммы

Циклограмма работы модуля АЦП (рис. 129) представляет собой последовательность процессов, происходящих в микроконтроллере (м/к), начиная с мо-

мента начала преобразования («оцифровки») и заканчивая записью 10-ти разрядного результата в пару 8-и разрядных регистров, доступную по шине данных м/к.

Программно работа модуля АЦП содержит 3 основных этапа для одного отсчета мгновенного значения входного напряжения и преобразования его в параллельный 10-ти разрядный код. Далее эти этапы периодически должны повторяться:

- выбор одного из 8 возможных каналов АЦП, его настройка в качестве аналогового входа и подача питания на модуль (предварительно НЕ НА ЭТОМ ЭТАПЕ выбранный контакт контроллера должен быть регистром TRIS сконфигурирован как входной). При этом внутренний накопительный конденсатор C HOLD подключается к выбранному контакту и начинает заряжаться от Uвх. Напряжение на этом конденсаторе (равное Uвх) будет использовано в дальнейшем при

«оцифровке», поэтому необходимо обеспечить чтобы время заряда было не меньше 20 мкс (это определено в технической документации на PIC 16F877 и реализуется путем введения задержки в тело ПО), иначе C HOLD не успеет полностью зарядиться и «оцифровано» будет не истинное мгновенное значение входного сигнала, а напряжение до которого C HOLD успел зарядиться, и соответственно возникнет погрешность преобразования;

-преобразование напряжения на конденсаторе C HOLD (после заряда он аппаратно отключается от входного контакта контроллера) в 10-ти разрядный код. Этап начинается с установки в программе бита GO_DONE (регистра ADCON0,

см. рис. 132) в «1» и длится минимум 12 TAD (о выборе времени TAD см. ниже). В течение этого времени последовательно бит за битом (начиная со старшего 9-го)

врегистровую пару ADRESH, ADRESL записывается 10-ти разрядный код результата. Завершается этап сбросом бита GO_DONE в «0» самим контроллером;

-пауза, которая должна быть выдержана в ПО перед началом 2-го (и каж-

дого последующего) отсчета. Это время должно быть не менее 2 TAD и связано инерционностью ключа, вновь подключающего конденсатор C HOLD к входному контакту контроллера.

После выполнения этих трех этапов цикл работы АЦП может быть повто-

рен для «оцифровки» следующего мгновенного значения Uвх. Обратите внимание, что бит GO_DONE используется двояко: как пользовательской программой, так и самим контроллером автономно. Во-первых, как управляющий входной бит ПО для запуска преобразования, а во-вторых, как выходной индикатор успешного окончания этого процесса. Поэтому изменять программно состояние бита GO_DONE в течение времени преобразования – запрещено, это вызовет сброс АЦП.

При практическом программировании приведенного алгоритма необходимо программно задавать длительность каждого этапа. В качестве «единицы измерения» времени (см. рис. 129) используется величина TAD – время преобразования одного бита, задаваемое программно, но имеющее нижнюю аппаратную границу TAD ≥ 1,6 мкс (т.е. быстрее микроконтроллер не может «оцифровать» один бит). Физически это время (точнее длительность полного цикла АЦП, равное 20 + (12 + 2)TAD ≈ 43 мкс) определяет максимальную частоту преобразования fц = (1/43) МГц ≈ 23 кГц. В соответствие с теоремой Котельникова можно определить и максимально возможную частоту входного сигнала, который можно «оцифровать» с помощью данного контроллера Fc = ½ fц ≈ 12 кГц. Если входной сигнал изменяется «быстрее», то АЦП не будет «видеть» эти изменения и появятся «пропуски» мгновенных значений входного сигнала.

Примечание: при последовательном опросе всех 8 каналов АЦП, это время пропорционально делится между всеми входами и составляет всего около 1,5 кГц в расчете на один вход.

Отсчет этих (хотя строго говоря, и всех других) интервалов времени производится аппаратно самим модулем АЦП путем подсчета определенного числа тактовых импульсов ТOSC. С помощью битов ADCS1, ADCS0 регистра ADCON0 (см. Таблицу №10) можно задавать требуемое число этих импульсов: либо 8, ли-

Внимание: установка других значений битов ADCS1, ADCS0 – ЗАПРЕЩЕНА, поскольку приводит к некорректной работе АЦП м/к PIC 16F877 (за счет очень высокой частоты кварца, АЦП будет «не успевать» обрабатывать аналоговый сигнал, например, за время 2 ТOSC).

14.2.2 Назначение и состав управляющих регистров АЦП

За настройку, конфигурирование и управление работой модуля АЦП контроллера отвечает группа из 5 специальных регистров, перечень которых приведен на рис. 130. Их функциональное назначение также указано на этом рисунке,

Рис. 130 Состав и назначение специальных регистров, управляющих работой модуля АЦП контроллера PIC 16F877

а назначение отдельных битов будет рассмотрено ниже. Следует обратить внимание на то, что в контроллере TTF 5.0 в силу его аппаратной структуры, дос-

переводе двоичного результата в десятичное значение напряжения. Очевидно, что более «привычным» является режим правого выравнивания, когда 6 старших бит регистра ADRESH равны 0.

Регистр ADCON0 (0х1F), назначение бит приведено на рис. 132. Кроме ограничений на выбор времени преобразования одного бита TAD битами ADSC1-

вать ограничения на используемые комбинации бит связанные с тем, что в

Другие комбинации бит при работе с АЦП – ЗАПРЕЩЕНЫ !

Рис. 134 Назначение бит регистра ADCON1 (0x9F) с учетом ограничений контроллера TTF 5.0

контроллере TTF 5.0 из 8 аналоговых входов (рис. 133) микросхемы 16F877 доступны лишь три: RE0, 1,