Giao trinh PIC18F4550 v1 0

Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 1.1 SƠ LƯỢC VỀ CẤU TRÚC CỦA VI ĐIỀU KHIỂN Năm 1971 vi xử lý đời mở thời đại công nghệ điện tử tin học, ảnh hưởng sâu sắc đến mọi lĩnh vực khoa học công nghệ Các hệ thống thiết kế dựa nền tảng vi xử lý (điển hình PC) có khả mà các hệ thống điện tử thông thường không thể thực hiện Các hãng chế tạo bán dẫn tích hợp các mạch ngoại vi vi xử lý lên chíp (on chíp) để tạo các vi điều khiển, để nhằm hạn chế tối đa các linh kiện mắc xây dựng hệ thống có sử dụng vi xử lý, vi điều khiển Những vi điều khiển hiện các hãng như: ATMEL, MOTOROLA, MICROCHIP… Bên tích hợp nhiều thiết bị ngoại vi khối ADC, khố PWM, các loại nhớ, đệm, các cổng truyền thông như: 12C, UART, CAN, PSP, USB, khối điều khiển LCD, chí các khối thu phát khơng dây RF Điều khiến cho việc thực hiện các ứng dụng với vi điều khiển trở nên dễ dàng, giảm kích thước mạch điện chi phí Việc thiết kế chế tạo các xử lý (microprocessor) hiện phát triển theo hai hướng Hướng thứ phát triển các xử lý mạnh tốc độ cao thực hiện hàng tỷ lệnh giây, độ dài từ liệu lớn 32 64 bit, truy nhập không gian nhớ đến hàng trăm Mbyte hiện lên hàng Gbyte Các xử lý dùng các hệ thống cần có cơng suất tính toán cao máy tính cá nhân PC (Personal Computer) Các hệ điều khiển công nghiệp Hướng thứ hai thiết kế, chế tạo các vi điều khiển (microcontroller), vi mạch đơn bên gồm xử lý 8, 12, 14 16 bit các khối chức nhớ, đệm, biến đổi A/D, cổng nối tiếp… Các vi điều khiển điển hình intel 8051, ATMEL, AVR, MOTOROLA 68HC11, Microchip Pic… Điều thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo vi điều khiển tính đa dụng, dễ dàng lập trình giá thành thấp Vi điều khiển tỏ hấp dẫn các ứng dụng điều khiển điện Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xn Toại tử vì có kích thước nhỏ, nhỏ chức đa dạng, dễ dàng tích hợp vào hệ thống để điều khiển toàn hệ thống Các thành phần vi điều khỉên là: CPU, RAM, ROM, các đếm, định thời, các cổng vào ra, giao diện truyền thông nối tiếp, các khối chuyển đổi tương tự số A/D ngược lại số tương tự D/A Khối xử lý trung tâm CPU thực hiện các thị lưu nhớ chương trình ROM để điều khiển tất các thành phần lại Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dùng để lưu các thiết lập các biến sử dụng chương trình Chương trình các số liệu cố định lưu ROM Bộ nhớ ROM vi điều khiển trở thành phần sụn (firmware) sau nạp trình Bộ nhớ ROM có thể loại ROM mặt nạ (masked ROM), với loại chương trình đưa vào quá trình chế tạo vi mạch Hay có thể loại OTP ROM cho phép nạp chương trình lần, loại EFROM có thể ghi xoá nhiều lần tia cực tím, ngồi cịn loại nhớ EEFROM loại nhớ khơng tự bay có thể thay đổi dễ dàng người lập trình Vi điều khiển sử dụng rộng rãi các thiết bị điện tử: chúng có các thiết bị viễn thơng, máy văn phịng, đờ điện tử gia dụng, đờ chơi trẻ em, thiết bị giải trí Các thiết bị nói chung đều cần cấu điều khiển thơng minh, có khả tương tác với người sử dụng Chương trình cho vi điều khiển tập các lệnh dịch thành mã máy thường nạp trực tiếp vào nhớ ROM vi điều khiển từ máy tính thơng qua nạp trình Một phía nạp nối với cổng máy tính (COM, USB, LPT) để nhận liệu từ máy tính, phía đưa liệu tới vi điều khiển thông qua các chân nạp trình vi điều khiển Các chân lại các chân vào thông thường sau vi đièu khiển nạp chương trình Các cổng vào số cho các liệu nhị phân di chuyển vào qua các chân vi điều khiển Các chân dùng để ghép nối vi điều khiển với các thiết bị vào số hay ghép nối với các vi điều khiển khác để thực hiện các chức Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại Cổng truyền thông liệu nối tiếp tạo khả giao tiếp hệ thống với các hệ thống khác qua các chuẩn giao tiếp như: URAT, CAN, 12C, SPI… Các đếm dùng để tạo các nhịp thời gian xác để đếm xung Khối chuyển đổi A/D cho phép vi điều khiển giao tiếp với các thiết bị điện tử tương tự cảm biến tương tự nhờ có thể đưa các liệu tương tự vào để xử lý lưu trữ Khối A/D cho phép vi điều khiển điều khiển các thiết bị khơng tương thích điều khiển số 1.2 VI ĐIỀU KHIỂN PIC CỦA MICROCHIP 1.2.1 Lịch sử phát triển Năm 1965 hãng Genneral Instrument thành lập ban vi điện tử nhằm tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo nhớ kiểu EPROM EEPROM, các linh kiện thu hút nhiều đầu tư các phịng thí nghiệm bán dẫn Đầu năm 70 Genneral Instrument chế tạo vi xử lý 16 bit PC1600 Bộ xử lý khá tốt có nhược điểm khả vào khơng mạnh để thích ứng xử lý PC1600 các ứng dụng cần có tính nâng cao Năm 1975 Genneral Instrument thiết kế vi mạch điều khiển giao tiếp ngoại vi (Peripheral interface controler) viết tắt PIC, linh kiện hỗ trợ các tính vào cho vi xử lý PIC không cần nhiều chức vì xử lý các công việc vào mã lệnh khó nhỏ gọn Những vi điều khiển PIC có điểm yếu chế tạo theo công nghệ n-MOS nên tiêu thụ nhiều lượng, nhớ chương trình loại ROM mặt nạ nạp lần, chương trình điều khiển nạp chế tạo vi mạch nên thích hợp với các khách hàng đặt mua với số lượng lớn, để lắp ráp sản xuất sản phẩm cụ thể Những năm đầu thập kỉ 80 Genneral Instrument gặp khó khăn thương mại tổ chức lại Hãng tập trung vào chế tạo linh kiện bán dẫn công suát lớn mạnh hiện hãng Genneral Instrument chuyển nhượng Ban vi điện tử nhà máy tại Chandle, bang Anizona cho các nhà đầu tư Họ lập công ty mới, đặt tên Arizona Microchip technology hiện Microchip technology Inc Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại Chiến lược các nhà đầu tư tập trung vào vi điều khiển các nhớ bán dẫn Các vi mạch PIC n-MOS cải tiến, chế tạo dựa nền tảng công nghệ CMOS Các sản phẩm Microchip biết tới bán với số lượng lớn các vi điều khiển PIC thuộc họ PIC16C5x Họ có hai biến thể với nhớ chương trình OTP UV EPROM Loại OTP có thể nạp trình lần dùng cho sản xuất loại lớn Loại UV EPROM có thể xóa tia cực tím (tia UV) dùng phát triển, thử nghiệm phần mềm Năm 1983 Microchip hãng tích hợp nhớ chương trình flash EEPROM vào vi điều khiển mới, biết đến nhiều PIC 16C84 PIC16F84 Bộ nhớ chương trình flash loại bỏ vai trò vi điều khiển có nhớ xoá tia cực tím, có vỏ gốm đắt tiền các đèn chiếu tia cực tím 1.2.2 Phân loại Tiêu ch̉n để phân nhóm dựa khác về kiến trúc xử lý bên vi điều khiển  Số các ghi có thể truy cập  Có hay khơng có ngắt, số lượng ngắt  Số lượng các phần cứng có chức đặc biệt  Độ dài từ lệnh  Dựa vào đặc điểm vi điều khiển PIC chia làm họ: 1.2.2.1 Họ cấp thấp (low-end) Gồm các loại ký hiệu 12C5xx, 16C5x, 16C505, 16HV540  Độ dài từ lệnh 12 bit  Bố chí các ghi: có 32 ghi bank, tối đa có bank Đặc điểm chung:  Rất thích hợp các ứng dụng giao diện đơn giản với ngoại vi Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại  Bộ nhớ chương trình kiểu OTP EPROM xoá tia cực tím  Tốc độ cao, thực hiện triệu thị/s với tần số xung nhịp 20MHz  Chỉ có đếm timer  Khơng có các ngắt cứng  Khơng có các lối tăng cường  Nạp trình song song, trừ PIC12C5xx PIC16C505 nạp trình nối giao thực ICSP 1.2.2.2 Họ cấp trung (Mid-range) Bao gồm 12C6xx, 14C000, 16C55x, 16C6x, 16C62x, 16F62x, 16C67x, 16C8x, 16F87x 16C9xx  Độ dài từ lệnh 14 bit  Là họ vi điều khiển PIC thông dụng hiện  Bố chí các ghi: 128 byte bank, tối đa bank  Là vi điều khiển vạn tinh mạnh  Có nhiều biến thể khắc nhau, với các kiểu đóng vỏ đa dạng: DIP, PLCC, SSOP…  Đặc điểm:  Tốc độ cao, thực hiện triệu thị /s xung nhịp 20MHz  Có các ngắt phần cứng  Có từ đến đếm – timer  Có nhiều kiểu khác về chân vào/ra tăng cường bao gồm các vào/ra tương tự, giao diện truyền thông nối tiếp: đồng bộ, không đồng bộ, 12C, SPI, CAN, USB…, điều khiển LCD  Bộ nhớ chương trình flash hầu hết các vi mạch Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại  Khả nạp trình nối tiếp ICSP  Có khả tự ghi vào nhớ chương trình (self-programming)  Có phần cứng gỡ rối chương trình ICD số loại 1.2.2.3 Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx  Gồm loại 17Cxxx  Độ dài từ lệnh 16 bit  Bố trí các ghi: 224 byte bank, tối đa bank, 48 ghi chức đặc biệt (SFR) Đặc điểm chung  Kiến trúc khác so với họ PIC cấp chung, cấp thấp  Có các lệnh tăng cường nhiều khả định địa  Vi điều khiển giao tiếp bus, truy nhập cac thiết bị song song trực tiếp  Có số lối vào/ra tăng cường  Bộ nhớ chương trình OTP  Nạp trình kiểu song song 1.2.2.4 Họ cấp cao (High- performance) Gờm loại có ký hiệu 18Cxxx 18Fxx2  Độ dài từ lệnh 16 bit  Bố trí các ghi 256 byte bank, tối đa có 16 bank  Đặc điểm chung:  Kiển trúc nâng cao, dựa nền tảng họ cấp trung, theo xu hướng thừa kế tính các loại cấp trung đồng thời bổ xung các tính Do có khả thay tồn PIC cấp trung  Có các lệnh tăng cường nhiều khả định địa Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại  Có khả truy nhập tới 2Mbyte nhớ chương trình, 4Kbyte nhớ RAM  Véctơ ngắt đơn, có thể lập trình mức độ ưu tiên các nguồn ngắt  Khả vào/ra tương tự họ cấp trung  Tần số hoạt động tối đa 40MHz, có nhân tần số PLL  Có nhớ chương trình flash  Nạp trình nối tiếp, có khả tự ghi vào nhớ chương trình Hiện DSPIC với nhiều tính vượt trội: Kiến trúc Harvard sửa đổi, 83 lệnh đơn, với chế độ địa mềm dẻo… 1.2.3 Một số ưu điểm microchip PIC Bộ nạp trình cho PIC có thể tự lắp ráp các dễ dàng với chi phí thấp PIC chủ yếu nạp trình theo chuẩn ICSP (In-Circuit Siral Programming) phương thức nạp trình nối tiếp: các liệu nạp vào nhớ chương trình thông qua chân vào/ra gán cổng truy nhập đến nhớ chương trình quá trình nạp trình Do nhờ có nhớ flash nạp trình theo chuẩn ICSP mà người nghiên cứư sử dụng PICđã tiết kiệm đáng kể chi phí mua các công cụ nạp Với nhớ flash thì thời gian nạp trình cải thiện đáng kể (chỉ khoảng vài chục giây) so với UV EPROM (cỡ chục phút) Microchip cung cấp đầy đủ chi tiết các tài liệu kỹ thuật về tất các loại vi điều khiển PIC Ngồi cịn cung cấp phần mềm cơng cụ miễn phí MPLAB-IDE đánh giá tốt so với các công cụ phát triển tương tự các hãng sản xuất vi điều khiển khác (các tài liệu công cụ cung cấp miễn phí www.microchip.com) Ngồi cịn có nhiều sách viết về PIC các trang web nói về vi điều khiển Tài liệu hỗ trợ cho vi điều khiển PIC dùng sau máy tính cá nhân PC về doanh số bán thi trường hiện Microchip đứng đầu về doanh số bán PIC bit, vượt lên các vi điều khiển motorola 1.2.4 Vi điều khiển pic 18f4550 Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại PIC18F4550 vi xử lý đa chức rẻ Nó sản phẩm họ vi xử lý PIC thơng dụng cơng ty Microchip Mỹ có trụ sở đặt tại Chandler, Arizona (Mỹ) Hình 1.1: PIC18F4550 Điểm riêng biệt vi xử lý PIC18F4550 PIC hỗ trợ toàn thể cho USB, nghĩa có USB gắn có sẵn các chân đầu để nối trực tiếp với máy tính mà khơng cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngồi khác Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại Hình 1.2: Giao Tiếp USB Hỗ trợ tinh thể dao động ký nhiều tần số đầu vào cân nên xử lý có thể hoạt động với tần số 48 MHz dao động ký độc lập kết nối Khi kết thúc hoạt động thì chỉnh dao động ký kết nối (thông qua các bit cấu hình) Làm việc với tốc độ 48 MHz điều kiện tiên để chuyển sang chế độ toàn tốc nhờ cổng USB Vì vậy, driver USB chuyển sang chế độ toàn tốc (1.5 Mbyte/giây) qua USB tương thích với ch̉n USB 2.0 Nó có 35 chân vào/ra số chung (xem sơ đờ chân phần dưới) có sẵn vỏ bọc gờm DIP-40 nên thuận tiện cho nhà phát triển người nghiệp dư quan tâm Với nhớ, có 32kb Flash lưu trữ chương trình, 2kb nhớ SRAM bay 256 byte EEPROM (bộ nhớ không bay hơi) để lưu trữ dài hạn liệu cấu hình … Các thị dài byte với số ngoại lệ dài byte (CALL, MOVFF, GOTO LSFR) Sử dụng chế đường ống để thực thi mã việc khiến các thị liên tiếp hoạt động xung (độ dài xung) có lần nhảy xung thêm vào Các đặc tính đáng ý khác có đờng hờ, ngắt (đờng hờ gắn gắn ngoài) với hai mức ưu tiên dùng hai mức so sánh tương tự kèm theo với phát điện chuẩn có 16 mức (hữu ích dùng trigger mức phần cứng) Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang Giáo Trình vi điều khiển PIC18F4550 Thạc sĩ Nguyễn Xuân Toại Cuối cùng, CIP có chuyển đổi tương tự 10 bit dao động ký không đủ yêu cầu về tốc độ cao cần thiết Vì vậy, máy phát dao động có tốc độ 48 MHz thời gian trễ truyền tải các ngắt khác (vòng lặp …) Không thể đạt tốc độ lớn 200 kHz 1.2.4.1 Sơ đồ chân Sau sơ đờ chân PIC18F4550 hộp DIP-40 Đặc biệt, có thể nhận chân D- D+ từ kết nối USB (chân 23 24) Hình 1.3: Sơ đờ chân PIC18F4550 hộp DIP-40 Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Trang 10