Программирование микроконтроллеров семейства PIC начинающим

Программирование микроконтроллеров семейства PIC начинающим

Первые микроконтроллеры появились в 60-х годах. Автоматизированные системы до этого времени обычно строились на основе реле. Теперь программируемые логические контроллеры распространены повсеместно. Однако программирование микроконтроллеров — процесс нередко сложно воспринимаемый. Поэтому рассмотрим, как программировать контроллер на примере широко известной серии ПЛК (PLC — Peripheral Interface Controller) — продукта компании Microchip Technology Inc.

Общий взгляд на устройства ПЛК

Системы на базе микропроцессора (микроконтроллеры) выступают в качестве программируемых электронных устройств, для которых специально разработаны языки программирования.

Благодаря таким языкам программирования, существенно облегчается процесс программирования контроллеров. Язык высокого уровня, созданный для ПЛК, обеспечивает простоту, эффективность и дружелюбную среду для пользователя.

Микропроцессор фактически можно рассматривать электронной схемой, поддерживающей обработку команд, хранящихся в системной памяти. Эта же схема работает с инструкциями — арифметическими и логическими, использует внешние устройства:

  • память,
  • входные порты,
  • выходные порты.

В свою очередь, микроконтроллер представляет собой интегральную схему, в составе которой присутствуют:

  • микропроцессор,
  • память программ и данных,
  • генератор тактовых импульсов,
  • интерфейсы ввода и вывода,
  • таймеры,
  • аналого-цифровые преобразователи,
  • внешние коммуникационные порты и другие схемы.

Макрос языка высокого уровня — это инструкция, которая является сокращённой строкой, содержащей несколько инструкций. Запись программы с повторяющимися действиями (схожестью инструкций) при использовании макросов значительно сокращается.

PIC18F4550

Программирование микроконтроллеров PIC
Микроконтроллеры используются в составе современной электроники повсеместно. Умение выполнять программирование микроконтроллеров открывает широкие горизонты

Эффективность программы на основе макросов столь же эффективна, как и запись программы на языке «C». Компилятор отвечает за создание соответствующих подстановок для генерации кода, который передаётся в память программы микропроцессора или микроконтроллера.

Программирование микроконтроллеров PIC 12 / PIC 16 

Программирование микроконтроллеров PIC выполняется с использованием проприетарного последовательного протокола. Поэтому конечному пользователю недостаточно просто взять и подключить микросхему контроллера PIC напрямую к любому «стандартному» интерфейсу.

Однако технические требования относительно программирования по времени достаточно слабы. Этот фактор даёт возможность использовать некоторые выводы параллельного или последовательного порта компьютера для генерации программной последовательности с помощью программного обеспечения.

Помимо рабочего напряжения, микроконтроллерам требуется ещё три сигнала:

  1. Программируемое напряжение (около 13В).
  2. Таймер программирования (ICSPCLK).
  3. Данные (ICSPDAT).

Поскольку большинство выпускаемых экземпляров PIC допускают программируемое напряжение несколько ниже значения, указанного спецификацией, открывается возможность использования уровней сигналов ± 12В, присутствующих на интерфейсе последовательного порта настольного ПК.

Таким образом, «записать» PIC вполне допустимо без необходимости подключения дополнительного источника питания. Преобразование уровней допускается выполнять при помощи нескольких компонентов. Однако представленная ниже упрощённая схема, обладает некоторыми ограничениями.

В частности, позволяет считывать и программировать непосредственно PIC устройства. Нет никакой гарантии, что эта схема способна обеспечить программирование всех контроллеров, поскольку не соответствует полной спецификации программирования.

ISD1700

Схема простого программатора микроконтроллеров PIC
Схема принципиальная упрощённого программатора микроконтроллеров серии PIC и обозначенные линии подключения интерфейсов RS232 / ISSP

Внутрисхемное программирование микроконтроллеров PIC

Разъём внутрисхемного программирования (ICSP) предоставляет возможность запрограммировать микроконтроллер непосредственно в рамках прикладной схемы.

Этот вариант видится особенно полезным в домашних условиях или в другой не специальной среде. Например там, где по каким-либо причинам требуется повторное изменение — программирование микроконтроллеров PIC и тестирование схемы.

Применение разъёма ICSP позволяет избежать рисков при перемещении микроконтроллера PIC между различными гнездами (например, в случае изгиба контактов или воздействия на микроконтроллер электростатических разрядов). Также работа с разъёмом ICSP обеспечивает экономию времени.

PIC K150 ICSP

ICSP соединитель под цепи программирования
Вот такой вариант ICSP соединителя вполне подойдёт для подключения линий связи на случай выполнения программирования микроконтроллера серии PIC12/PIC16

Следует внимательно использовать интерфейс и кабель ICSP, принимая во внимание, что схема не должна нарушать ход сигналов программирования. Другими словами – точное соответствие месту назначения сигналов необходимо выполнять безукоризненно.

Основные условия программирования:

  • время переключения напряжения программирования «0 – 13В» составляет несколько микросекунд;
  • полный размах напряжения сигналов таймера и данных достигается в течение одной микросекунды;
  • вывод сигнала PGM остаётся низким всё время программирования.

Некоторые микроконтроллеры PIC требуют применения напряжения программирования до подачи рабочего напряжения. В этом случае напряжением программирования управляют через модуль программатора. Самый простой способ выполнить первые два условия — не использовать корреспондирующие выводы в цепях схемы. Если необходимо, следует использовать отладчик.

Рекомендации относительно процедуры программирования

Не рекомендуется подключать активные цепи к линии внешнего (основного) сброса (MCLR – Microcontroller Line Reset). Если сигнал MCLR используется для сброса PIC, следует устанавливать резистор номинальным сопротивлением более 56 кОм между выводами MCLR и подачи напряжения питания.

Рекомендуется в цепь резистора включать конденсатор небольшой ёмкости — менее 100 пФ со смещением на землю (вывод GND).

Сигнальные выводы программирования должны исключать наличие индуктивной или ёмкостной нагрузки. Когда рабочее напряжение питания берётся от модуля программатора, требуется изолировать вывод питания PIC от остальной части прикладной схемы в процессе программирования.

TL866II USB

Схема доработок программатора PIC
Схемные доработки программатора микроконтроллера, рекомендуемые с целью обеспечения более качественного процесса программирования устройства

Этот вариант может иметь место, если схема содержит собственный стабилизатор напряжения питания и оснащается развязывающим конденсатором большой ёмкости. Модуль программатора, предназначенный под напряжение питания 3,3В, не в состоянии заряжать конденсатор достаточно быстро, а для программирования PIC требуется не менее 4,5В.

Между тем вариант изолирования можно исключить, если в схеме используется диод Шоттки. Чтобы удерживать вывод перевода микроконтроллера в режим программирования (PGM) на низком уровне, рекомендуется подключать этот вывод к земле через резистор номиналом от 2,2 кОм до 10 кОм.

Всегда рекомендуется таймер включения питания вносить в «слово» конфигурации. Задержка таймера более 40 мс даёт достаточно времени для стабилизации напряжения питания перед началом любой операции. Такой шаг позволяет избежать непреднамеренного выполнения программы до входа в режим программирования.

Во время программирования остальные контакты порта остаются в режиме ввода — имеют высокий импеданс. Используемой схемой необходимо обрабатывать такое состояние по возможности неактивным способом. Чтобы избежать нежелательных «побочных эффектов», следует рассмотреть возможность дополнения подтягивающими резисторами.

Для обеспечения повторного программирования микроконтроллера PIC в условиях напряжения питания ниже 4,5В, область памяти необходимо отключить от защиты. Это обусловлено применением «Chip Erase», единственного способа удаления кода или защиты данных, которого требуют практически все микроконтроллеры PIC с напряжением питания выше 4,5В.

Сигналы ICSP соответствующие контактам PIC 12Fxxx / 16Fxxx

Число ниже аббревиатуры сигнала соответствует выходу разъема ICSP модуля программатора. Для использования модуля с тестовыми платами сторонних производителей требуется адаптер.

АДАПТЕР

Таблица контактных групп
Следует обратить внимание: разъём ICSP этого модуля программатора имеет различный порядок сигналов по сравнению с другими программаторами микроконтроллеров PIC

Следующие схемы показывают, как подключать сигналы программирования к микроконтроллерам PIC 12Fxxx / 16Fxxx:

ARDUINO UNO

Схемы распиновки для отдельных чипов
Схемы, определяющие порядок подключения сигнальных проводников, участвующих в процедуре чтения/записи данных микроконтроллеров разной конфигурации

Программирование микроконтроллеров + фирменные средства

Существует солидная группа фирменных программаторов для микроконтроллеров семейства PIC. Наиболее известные аппаратные средства:

Характерные отличия отмеченных программаторов – устройства обладают не просто классическими функциями чтения/записи. Фирменным программаторам присущ целый ряд расширенных функций, включая полный контроль содержимого памяти и стёка.


На основе информации: Uolsinectis