Laboratório de Hardware - Ciência da Computação FACAPE

Transcrição

Ciência da Computação
Laboratório de Hardware
Introdução ao Microcontrolador PIC
Prof. Sergio Ribeiro
Microprocessadores
n
n
n
Os microprocessadores são circuitos integrados
compostos por diversas portas lógicas que realizam
operações matemáticas e lógicas diversas. São
destinados a uso geral, ou seja, simplesmente
processar informações.
Os sistemas microprocessados são compostos de
dispositivos separados: microprocessador, memória,
interface de entrada e saída (compostas por
transistores, acopladores ópticos, etc).
Mas por que não incluir todos estes dispositivos em
um encapsulamento?
Laboratório de Arquitetura de Computadores
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Microcontroladores
n
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A união das memórias com os microprocessadores
possibilitou o advento dos microcontroladores.
Estes circuitos integrados são compostos por pelo menos
uma unidade de processamento, uma unidade lógicoaritmética, um banco de memória de programa e um
banco de memória de dados.
Além disto, os microcontroladores devem possuir uma
interface com o ambiente externo, ou seja, entradas e
saídas para que o desenvolvedor de hardware possa
realizar operações diversas, como por exemplo, ligar um
relé, um transistor, acender um LED, etc.
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Microcontroladores
n
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Microcontroladores são dispositivos voltados a sistemas
embarcados e aplicações específicas, ao contrário dos μPs,
destinados a PCs e aplicações de uso geral.
Memórias de programa e de dados também são frequentemente integradas ao chip, o que não ocorre nos μPs.
Principais razões da integração das memórias aos μCs:
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Redução do número de pinos do encapsulamento;
Redução dos custos com componentes externos;
Diminuição das dimensões da montagem;
Simplificação do circuito de aplicação;
Porém, tal integração tem como desvantagem:
n
Limitação da complexidade do programa embarcado, devido ao
tamanho reduzido da memória nos μCs.
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Microcontroladores
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Visão geral da organização de um microcontrolador:
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Aplicações Típicas
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Tipicamente, μCs são usados no controle em:
n
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Periféricos de informática
Eletrônicos de consumo
Sistemas de supervisão
Instrumentação
Automação
Robótica
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Marcas de Microcontroladores
Algumas marcas e modelos:
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ATMEL: ATMEGA, AT91, AT90;
INTEL: MCS51 ou 8051 (vários fabricantes fabricam este modelo,
mas a Intel foi a primeira a produzi-lo, em 1977);
Microchip: PIC, DSPIC.
Freescale (Motorola): 68HC, MPC.
Texas Instruments: MSP430, TMS370
Microchip
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Os Microcontroladores PIC
n
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Os PIC, ou PICmicro, são microcontroladores da
Microchip Technologies.
Seu nome é uma sigla para “Programmable Interface
Controller” e origina-se no início dos anos 80, quando foi
concebido para operar como interface controladora de
periféricos para a CPU CP1600 da General Instruments.
São mais de 570 uCs divididos em 3 grandes grupos:
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8 bits
16 bits
32 bits
Núcleo composto por uma máquina RISC:
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As versões mais simples tem apenas 33 instruções.
Memória segue a arquitetura de Havard.
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Família de Microcontroladores PIC:
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Os Microcontroladores PIC de 8 bits
n
n
São mais de 300 uCs, reunindo desde os mais simples e
pequenos (6 pinos) a dispositivos de alta gama, com
maior poder de processamento, periféricos e interfaces,
chegando a 100 pinos.
Dividem-se em 4 categorias, de acordo com a
complexidade da aplicação a que se destinam:
n
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n
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Baseline
Mid-Range
Enhanced Mid-Range
PIC18
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PIC 8-bits: Memória de Programa vs N° de Pinos
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O PIC 18F4550
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Microcontrolador “Mid-Range” de 8 bits, com 40 pinos.
Reúne os principais pontos de interesse no estudo da
arquitetura de sistemas digitais.
É o microcontrolador inserido no Kit XM118 da Exsto
presente no Laboratório de Hardware da Facape, e que
será adotado nas aplicações práticas do laboratório.
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Principais Características
do PIC18F4550
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Memória FLASH de programa: 32 Kbytes.
Memória SRAM para armazenamento de dados: 2 Kbytes.
Memória EEPROM de dados: 256 bytes.
Pinos configuráveis como entradas ou saídas digitais: 35.
Pinos configuráveis como canais de entrada analógica: 13.
Módulo CCP (Capture / Compare / PWM)
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Capture Þ Permite a medição do tempo de duração de um evento.
Comparação Þ compara valores entre os registros do TMR1 e
CCPR.
PWM (Pulse Width Modulation) Þ gera sinais de frequência e
variáveis.
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Principais Características
do PIC18F4550
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Porta paralela: de 8 bits (SPP – Streaming Parallelal Port).
Temporizadores de 8 e 16 bits: 4.
Watchdog Timer: sim.
Frequência de operação: de até 48 MHz.
Múltiplas fontes de interrupção: até 20.
Comparadores: 2.
Periféricos avançados de comunicação: Porta de
comunicação serial, Porta de comunicação USB 2.0.
Arquitetura Harvard: tecnologia RISC com um conjunto de
75 instruções de máquina.
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Pinagem do PIC18F4550
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Portas de entrada e saída (RA, RB, RC, RD e RE).
n
Canais de entradas analógicas (AN).
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Pinos de alimentação (VDD e VSS).
n
Pinos de entrada para o oscilador externo (OSC).
n
Portas de comunicação serial (RX e TX).
n
Porta de comunicação USB (D+ e D-).
** Os pinos podem ter mais de uma função.
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Os 35 pinos de I/O configuráveis, estão agrupados em 5
grupos denominados PORTAS, sendo:
n
PORT A
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PORT B
n
PORT C
n
PORT D
n
PORT E
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Diagrama de Bloco do PIC18F4550
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Kit Educacional
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O laboratório de Hardware da Facape é equipado com kits
educacionais da Exsto.
O kit usado em Arquitetura de Computadores é o XM118
que possui o microcontrolador PIC18F4550.
O hardware do Kit Educacional XM118 foi concebido para
permitir a maior fexibilidade possível nas ligações.
Os pinos com diversas funções foram ligados a chaves dip
switch, de forma a permitir a conexão com diferentes
circuitos de aplicação.
Para configurar corretamente o hardware para suas
necessidades, verifique as funções das chaves no manual.
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Fonte de Alimentação
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n
O kit educacional XM118 é equipado
com duas fontes chaveadas
independentes de +5VDC/3A e
+12VDC/1A.
As fontes de alimentação estão
disponíveis para o usuário em
conectores apropriados.
Seu uso, contudo, deve respeitar a
corrente máxima disponível.
20
PIC 18F4550
n
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O kit foi baseado no PIC 18F4550.
Trata-se de um microcontrolador de 8 bits de alto
desempenho com uma série de periféricos.
Além do PIC 18F4550, outros microcontroladores de 40
pinos podem ser usados na placa do kit, desde que sejam
compatíveis pino a pino. Ex: PIC 18F4520 e o PIC 16F877A.
21
Conectores para Acesso de I/O
n
n
Imediatamente acima do protoboard, existem
conectores que dão acesso direto aos pinos do
microcontrolador.
Quando usar um pino do microcontrolador para
aplicações externas, desligue as chaves de
configuração associadas ao pino em questão
(se houver).
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PICkit-2 e o Conector ICSP
n
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O kit XM118 é equipado com um gravador
PICkit-2 que fica embutido dentro do gabinete
do kit.
O PICkit-2 está conectado ao XM118 e
consequentemente ao microcontrolador nele
instalado através da chave U8.
Essa chave permite desconectar os pinos do
PIC18F4550 do PICkit-2 quando necessário.
O conector CON9 permite gravar outros
componentes externos através do header
(placa para gravação de componente) que
acompanha o kit.
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Configuração
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n
n
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O microcontrolador tem um número limitado de pinos para
poder interagir com todos os circuitos presentes no kit.
Alguns circuitos estão simplesmente ligados em paralelo,
como LEDs e LCD, teclado e chaves.
Outros circuitos são selecionados através de chaves de
configuração.
A tabela a seguir apresenta algumas configurações
possíveis, indicando o portal do microcontrolador, o
sinal utilizado, sua função e direção.
A tabela completa deve ser consultada no manual de
operação do kit.
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Configuração
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Teclado Matricial
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Um teclado matricial está disponível no kit e opera por
varredura. Isto significa que, ao aplicar diferentes valores
nas linhas, é possível identificar a tecla pressionada por
meio do valor lido nas colunas.
O teclado está ligado ao PIC conforme a tabela abaixo.
Obs: para o correto funcionamento do teclado, é necessário
ativar os resistores de pull-up internos do PIC por software.
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Chaves
Há oito chaves dip switch ligadas à porta B do PIC.
Essas chaves foram projetadas para ser baixo ativas, ou
seja, ao serem ligadas, elas aterram os pinos do PIC.
Estando aberto, o nível alto nas entradas do PIC é
garantido pelos resistores de pull-up internos.
Obs: para o correto funcionamento do teclado, é
necessário ativar os resistores de pull-up internos
do microcontrolador por
software.
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Push-Buttons
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n
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Existem cinco chaves pulsativas (push-buttons) ligados
aos pinos do microcontrolador.
Alguns desses pinos possuem funções especiais, como
interrupções e contadores.
Essas chaves também são baixo ativas.
A tabela abaixo mostra a ligação dessas
chaves ao PIC.
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Display LCD
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O kit possui um display LCD alfanumérico de 2 linhas por
16 colunas.
O ajuste de contraste desse LCD é feito pelo trimpot R42.
Mais informações sobre o uso do LCD na apostila do kit.
29
Display de 7 Segmentos
n
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O kit XM118 possui 4 displays de sete segmentos.
Estes displays trabalham de forma multiplexada, isto é,
seus segmentos estão todos ligados em paralelo e os
comuns dos displays são acionados por um processo de
varredura (impressão de estarem simultaneamente ativos).
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LEDs
Na porta D do microcontrolador estão ligados 8 leds
convencionais baixo ativos (acendem com nível lógico
baixo).
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Há também 2 leds bicolores
ligados a outros pinos do
microcontrolador (consultar
manual).
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Buzzer
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n
n
Um buzzer piezelétrico permite a geração de sons no kit.
Para esse buzzer operar é necessário aplicar um sinal
variável na frequência que se deseja ouvir.
Ele não produzirá som algum se for simplesmente
alimentado.
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Relés
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n
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Quatro relés estão disponíveis para aplicações do
usuário.
É possível ter acesso aos terminais Com (comum), NA
(normalmente aberto) e NF (normalmente fechado).
Os relés tem capacidade de acionar cargas de até 10A,
com tensão máxima de até 250V.
33
Outros Módulos
n
Outras partes do kit XM118 podem ser consultadas no
manual de operação, como:
n
Lâmpada DC
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Resistência para aquecimento
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Ventoinha
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Sensor de rotação
n
Potenciômetro
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Sensor de temperatura
n
Interface USART
n
Interface USB
n
Gerador de frequência, entre outros.
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Ferramentas de Desenvolvimento
Como ferramentas para o desenvolvimento de aplicações
para o PIC 18F4550 são usados o simulador Proteus, o
ambiente de desenvolvimento MPLAB e um compilador C.
n O Proteus é um ótimo software de simulação de circuitos.
n Usaremos o MPLAB como meio para gravar o PIC.
n Há muitos compiladores C para microcontroladores PIC,
como: PCW, C18, MikroC, entre outros.
n A Exsto, fabricante do kit XM118, adotou o compilador
C18 da Microchip.
n Porém, verificou-se que este compilador gera o firmware
não muito otimizado (ocupa mais memória no PIC) e o
aprendizado da linguagem C é um pouco mais demorado.
n
35
Ferramentas de Desenvolvimento
n
n
n
n
n
Por este motivo, o compilador C a ser usado no laboratório
é o MikroC da Mikroeletrônica.
O MikroC é um dos compiladores mais adotados para a
programação de microcontroladores PIC.
Isso se deve ao fato dele gerar um firmware menor,
ocupando menos espaço de memória no PIC.
E outra vantagem do MikroC é sua total compatibilidade
com o C padrão ANSI e a facilidade de programar em sua
linguagem C, com uma curva de aprendizado mais curta.
Ao programar em C, recomenda-se consultar o datasheet
do PIC 18F4550, assim como o help do compilador.
36
Compilador MikroC
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Exemplo de um programa C
n
n
Segue abaixo um programa para fazer piscar o led
conectado ao pino D0 do PIC 18F4550 no kit.
Isso equivale a um “hello world” quando se está aprendendo
a programar em C.
void main(){
// pisca o led a uma frequência de 1 Hz
TrisD = 0x00;
// configura toda a porta D como saída
PortD = 0x00; // atribui nível baixo a todos os pinos em D
while(1){ // laço infinito
RD0_bit = 0;
// nível baixo em D0 (apaga led)
delay_ms(500); // atraso de 500ms (0,5s)
RD0_bit = 1; // nível alto em D0 (acende led)
delay_ms(500);
}
}
38
Exemplo de um programa C
n
Programa equivalente ao anterior.
#define Led
RD0_bit
// macro Led associado ao pino D0
void main(){
// pisca o led a uma frequência de 1 Hz
TrisD = 0x00;
// configura toda a porta D como saída
PortD = 0x00; // atribui nível baixo a todos os pinos em D
while(1){ // laço infinito
Led = ~Led;
// inverte o nível lógico do pino D0
delay_ms(500); // atraso de 500ms (0,5s)
}
}
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