PHẦN CỨNG
Giới thiệu và phân loại vi điều khiển PIC
PIC, viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh), là một sản phẩm của General Instrument, được đặt tên cho dòng vi điều khiển của họ Hãng Microchip đã tiếp tục phát triển dòng sản phẩm này, cho đến nay đã cho ra mắt gần 100 loại vi điều khiển khác nhau.
Các dòng PIC và cách lựa chọn điều khiển PIC
Các ký hiệu của vi điều khiển PIC [2]:
PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit
PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit
PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit
C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)
F: PIC có bộ nhớ flash
LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp
LV: tương tự như LF, đây là ký hiệu cũ
Một số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx là EEPROM, trong khi nếu có chữ A ở cuối thì là flash, chẳng hạn như PIC 16F877 là EEPROM và PIC 16F877A là flash Thêm vào đó, dòng vi điều khiển mới dsPIC cũng được giới thiệu Tại Việt Nam, vi điều khiển PIC của hãng Microchip là phổ biến nhất.
Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp:
Khi lựa chọn vi điều khiển cho ứng dụng, điều quan trọng là phải xem xét số lượng chân cần thiết Các vi điều khiển PIC có nhiều lựa chọn với số chân khác nhau, thậm chí có những loại chỉ có một vài chân.
8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28,40, 44, …chân
Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trình được nhiều lần hơn
Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵn trong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong
Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép
Ngôn ngữ lập trình và mạch nạp cho PIC
Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất phong phú, bao gồm cả ngôn ngữ lập trình cấp thấp như MPLAB, được cung cấp miễn phí bởi Microchip, cùng với các ngôn ngữ lập trình cấp cao khác.
15 hơn bao gồm C, Basic, Pascal,… Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát triển dành riêng cho PIC như PIC asic, Mikro asic,…
Mạch nạp cho vi điều khiển PIC rất đa dạng, bao gồm các sản phẩm từ Microchip như PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3 và PRO MATE II Những mạch nạp này không chỉ hỗ trợ nạp cho các vi điều khiển PIC mà còn có thể sử dụng để nạp cho các vi điều khiển khác thông qua phần mềm MPLAB Mặc dù dòng sản phẩm này có ưu điểm là tương thích với tất cả các vi điều khiển PIC, nhưng giá thành cao và việc mua sắm thường gặp khó khăn.
Ngoài việc hỗ trợ nhiều chế độ nạp khác nhau, còn có nhiều mạch nạp được thiết kế đặc biệt cho vi điều khiển PIC Dưới đây là một số mạch nạp PIC tiêu biểu.
Mạch nạp JDM là thiết bị sử dụng chương trình Icprog, cho phép nạp các vi điều khiển PIC với tính năng nạp chương trình điện áp thấp ICSP (In Circuit Serial Programming) Hầu hết các mạch nạp hiện nay đều hỗ trợ tính năng này.
WARP-13A và MCP-USB là hai mạch nạp tương thích với trình biên dịch MPLAB của Microchip, cho phép nạp trực tiếp chương trình vào vi điều khiển PIC mà không cần sử dụng phần mềm nạp khác như ICprog.
Mạch nạp P16PRO40, được thiết kế bởi Nigel, nổi tiếng trong cộng đồng Ngoài việc phát triển mạch nạp, ông còn thiết kế chương trình nạp riêng, tuy nhiên người dùng cũng có thể lựa chọn sử dụng chương trình ICprog để thực hiện quá trình nạp.
- Mạch nạp Universal Williem: đây không phải mạch nạp chuyên dụng dành cho PIC như P16PRO40
Các mạch nạp đơn giản và giá rẻ dễ dàng lắp ráp, với thông tin về sơ đồ và chương trình nạp có sẵn miễn phí trên Internet Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là hạn chế số lượng vi điều khiển hỗ trợ và mỗi mạch nạp cần chương trình nạp tương ứng.
Vi điều khiển PIC 16F877A
Khái quát về vi điều khiển PIC 16F877A
PIC 16F877A là một trong những dòng vi điều khiển phổ biến, cung cấp đầy đủ tính năng cho hầu hết các ứng dụng thực tế Dòng vi điều khiển này cũng rất phù hợp cho những người mới bắt đầu, giúp họ học tập và xây dựng nền tảng vững chắc về công nghệ PIC.
PIC 16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặc tính sau [5]:
+ Ngôn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có dộ dài 14 bit
Tất cả các câu lệnh trong một chu kỳ thực hiện, ngoại trừ một số câu lệnh rẽ nhánh, cần hai chu kỳ lệnh Một chu kỳ lệnh tương đương với 4 lần chu kỳ dao động của thạch anh Bộ nhớ chương trình Flash có dung lượng 8Kx14 từ, cho phép ghi xóa khoảng 100 nghìn lần.
+ Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài)
+ Ngăn nhớ Stack được chia làm 8 mức
+ Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp
+ Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V đến 5.5V
+ Công suất tiêu thụ thấp: é hơn 0.6mA với 5V, 4MHz
Bài viết đề cập đến ba loại timer trong hệ thống: Timer0, một timer 8 bit với chức năng định thời và bộ đếm, sử dụng hệ số tỉ lệ trước; Timer1, một timer 16 bit với chức năng bộ định thời và bộ đếm, cũng sử dụng hệ số tỉ lệ trước và có khả năng kích hoạt chế độ Sleep; và Timer2, một timer 8 bit với chức năng định thời và bộ đếm, sử dụng cả hệ số tỉ lệ trước và sau.
+ Có 2 kênh Capture/ so sánh điện áp (Compare)/điều chế độ rộng xung PWM 10 bit / (CCP)
+ Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit
Cổng truyền thông nối tiếp SSP và SPI hỗ trợ phương thức chủ và I2C (chủ/phụ) Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ và dị bộ (USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bit địa chỉ, giúp nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu.
+ Cổng phụ song song (PSP) với 8 bit mở rộng, với RD, WR và CS điều khiển
Các khối có trong PIC16F877A bao gồm các khối cơ bản sau [5]:
- Khối bộ nhớ chương trình
- Khối bộ nhớ dữ liệu
- Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM
- Khối thanh ghi đặc biệt
- Khối các Port xuất nhập
Timing genalration parallel stave port
USART synchronous serial port CCP1,2
Oscilator Start-up time Power on reset Watch dog time
Brown-out reset In-circuit debugger Low-voltage programming
RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VRFF- RA3/AN3/VRFF+ RA4/T0CKI RA5/AN4/SS
RB0 RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD
RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2(1) RC2/CCP1
RC6/TX/CK RC7/RX/DT
RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7 MCLR V 00 ,V SS
RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 MUX nh 1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A [5]
Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý PIC 16F877A [3] nh 2 Vi điều khiển PIC16F877A [8]
Sơ đồ chân nh 2.3 Sơ đồ chân của PIC 16F877A [8]
Sơ đồ nguyên lý nh 2.4 Sơ đồ nguyên lý PIC 16F877A [8]
Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta thấy:
- PIC 16F877A có tất cả 40 chân
- 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và 2 chân dùng để RESET vi điều khiển
- 5 PORT của PIC 16F877A bao gồm:
+ PORT A gồm 6 chân: RA0, RA1, RA5
+ PORT C gồm 8 chân: RC0, RC1,… RC7
+ PORT D gồm 8 chân: RD0, RD1,… RD7
+ PORT E gồm 3 chân: RE0, RE1, RE2
Cấu trúc bộ nhớ của PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data memory) [5]
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ Flash với dung lượng 8K word (1 word = 14 bit), cho phép chứa tối đa 8192 lệnh Bộ nhớ này được chia thành nhiều trang, và để mã hóa địa chỉ cho 8K word, bộ đếm chương trình sử dụng 13 bit (PC).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ trỏ đến địa chỉ 0000h, gọi là Reset vector Nếu có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chuyển đến địa chỉ 0004h, được gọi là Interrupt vector Lưu ý rằng bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình.
Dưới đây là hình vẽ sơ đồ tổ chức bộ nhớ:
Interrupt vecter Page 0 Page 1 Page 2 Page 3
On-chip Program memory nh 2.5 Sơ đồ bộ nhớ chương trình [2]
Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank, mỗi bank có thể mở rộng đến địa chỉ 7Fh Trong mỗi bank, các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) nằm ở ô nhớ có địa chỉ thấp, trong khi các thanh ghi mục đích chung (GPR) chiếm vùng địa chỉ còn lại Các thanh ghi SFR thường xuyên sử dụng, như thanh ghi STATUS, được đặt ở tất cả các bank của bộ nhớ.
20 nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và giảm bớt lệnh của chương trình Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu như sau:
File address Indirect addr.(*) 00H Indirect addr.(*) 80H Indirect addr.(*) 100H Indirect addr.(*) 180H
TMR0 01H OPTION_REG 81H TMR0 101H TMR0 181H
PCLATH 0AH PCLATH 8AH PCLATH 10AH PCLATH 18AH
INTCON 0BH INTCON 8BH INTCON 10BH INTCON 18BH
PIR1 0CH PIE1 8CH EEDATA 10CH EECON1 18CH
PIR2 0DH PIE2 8DH EEADR 10DH EECON2 18DH
TMR1L 0EH PCON 8EH EEDATH 10EH Reserved(2) 18EH
TMR1H 0FH 8FH EEADRH 10FH Reserved(2) 18FH
RCREG 1AH 9AH 11AH 19AH
CCPR2L 1BH 9BH 11BH 19BH
CCPR2H 1CH CMCON 9CH 11CH 19CH
CCP2CON 1DH CVRCON 9DH 11DH 19DH
ADRESH 1EH ADRESL 9EH 11EH 19EH
ADCONO 1FH ADCON1 9FH 11FH 19FH
□ Unimplemented data memory locations, read as '0'
Note 1: These registers are not implemented on the PIC16F877A
2: These registers are reserved; maintain these registers dear. nh 2.6 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu [5]
Hai bit RP1RP0 chọn ank:
Bảng 2.1 Bảng chọn bank thanh ghi
2.2.2 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A
Cổng xuất nhập là phương tiện giao tiếp giữa vi điều khiển PIC16F877A và các thiết bị bên ngoài, bao gồm 5 cổng: Port A, Port B, Port C, Port D và Port E.
PORTA (RPA) có 6 chân I/O hai chiều, cho phép xuất và nhập dữ liệu Chức năng của từng chân được điều khiển qua thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h) Để thiết lập một chân trong PORTA là đầu vào, ta cần "set" bit điều khiển tương ứng trong TRISA; ngược lại, để thiết lập chân đó là đầu ra, ta "clear" bit tương ứng Quy trình này cũng áp dụng cho các PORT khác và các thanh ghi điều khiển như TRIS cho PORT, TRISC cho PORTC, TRISD cho PORTD và TRISE cho PORTF.
Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau:
+ Ngõ vào Analog của bộ ADC: thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital
+ Ngõ vào điện thế so sánh
+ Ngõ vào xung Clock của Timer0 trong kiến trúc phần cứng: thực hiện các nhiệm vụ đếm xung thông qua Timer0…
+ Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)
Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTA bao gồm:
PORTA (địa chỉ 05h) : chứa các giá trị pin trong PORTA
TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập
CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh
CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp
ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC
PORTB (RPB) gồm 8 chân I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB
PORT không chỉ được sử dụng để nạp chương trình cho vi điều khiển với nhiều chế độ khác nhau, mà còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0 Thêm vào đó, PORT còn tích hợp chức năng điện trở kéo lên, có thể được điều khiển qua chương trình.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTB bao gồm:
- PORT (địa chỉ 06h, 106h): chứa giá trị pin trong PORTB
- TRIS (địa chỉ 86h, 186h): điều khiển xuất nhập
- OPTION_REG (địa chỉ 81h, 181h): điều khiển ngắt ngoại vi bộ Timer0
PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên
Ngoài ra PORTC còn có chức năng quan trọng sau:
- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng
- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc dộ và vị trí động cơ v.v…
- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp 12C, SPI, USART
PORTD có 8 chân và được điều khiển bởi thanh ghi TRISD, cho phép thiết lập chức năng input và output Ngoài ra, PORTD cũng đóng vai trò là cổng xuất dữ liệu cho giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port).
Các thanh ghi liên quan đến PORTD bao gồm:
- Thanh ghi PORTD: chứa giá trị các pin trong PORTD
- Thanh ghi TRISD: điều khiển xuất nhập
- Thanh ghi TRISE: điều khiển xuất nhập PORTE và chuẩn giao tiếp PSP
PORTE có 3 chân, với thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE hỗ trợ ngõ vào analog và đồng thời cũng đóng vai trò là chân điều khiển cho chuẩn giao tiếp PSP.
Các thanh ghi liên quan đến PORTE bao gồm:
PORTE: chứa giá trị các chân trong PORTE
TRISE: điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSP ADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC
2.2.3 Các vấn đề về Timer
Là bộ định thời hoặc bộ đếm có những ưu điểm sau:
- 8 bit cho bộ định thời hoặc bộ đếm
- Có khả năng đọc viết
- Có teher dùng đồng bên trong hoặc bên ngoài
- Có thể chọn cạnh xung của xung đồng hồ
- Có thể chọn hệ số chia đầu vào (lập trình bằng phần mềm)
Set Flag bit TMR0IF on Overfow
8 nh 2.7 Sơ đồ khối của Timer0 [5]
Timer0 có khả năng hoạt động như một bộ định thời hoặc bộ đếm, tùy thuộc vào việc xóa hay đặt bit TOCS trong thanh ghi OPTION_REG.
- Nếu dùng hệ số chia xung đầu vào thì xóa bit PSA của thanh ghi OPTION_REG
Trong chế độ định thời được xác định bằng cách xóa bit T0CS (OPTION_REG), giá trị của bộ đếm sẽ tăng sau mỗi chu kỳ lệnh nếu không có hệ số chia xung đầu vào được chọn Giá trị này được thiết lập thông qua thanh ghi TMR0.
Khi sử dụng xung clock bên ngoài cho bộ định thời Timer0 mà không áp dụng hệ số chia clock đầu vào, cần đảm bảo rằng xung clock bên ngoài phải đồng bộ với xung clock nội bộ (T OSC) để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) điều chỉnh mức điện áp bằng cách thay đổi độ rộng của các xung mà không làm thay đổi chiều cao của chúng, tức là điện áp đỉnh (Vpp) vẫn giữ nguyên.
31 Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Điều chế độ rộng xung (PWM) sử dụng sóng xung vuông với độ rộng xung được điều chỉnh, dẫn đến sự thay đổi giá trị trung bình của dạng sóng Khi xem xét một dạng sóng xung f(t) với giá trị thấp y min và giá trị cao y max cùng với hệ số công tác D, giá trị trung bình của dạng sóng có thể được tính toán theo công thức ̅ ∫ (2.1).
Giả sử f(t) là xung vuông với giá trị tối đa y max trong khoảng thời gian 0