Mikrochip ansteuern.

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1 Mikrochip ansteuern Autor: Valentin Lätt Version: 1.4 Erstellung: Letzte Änderung: Thema: Mikrochip ansteuern

2 Inhaltsverzeichnis 1. Mikrochip ansteuern Inhaltsverzeichnis Hinweise zur Doku Copyright Hinweise Einführung Die Funktionsweise Umsetzung Kapitel 1 - Die Informationsbeschaffung Kapitel 2 - Die Hardwarebeschaffung Kapitel 3 - Die Softwarebeschaffung Kapitel 4 - Der Mikroprozessor Die 'Electrical characteristics' Die Pinbelegung Kapitel 5 - MPLAB Projekt erstellen Kapitel 6 - Testboard Schema entwerfen Eagle Schritt-für-Schritt Anleitung Kapitel 7 - Testboard erstellen Kapitel Programmieren des Codes Codetemplates Das Listing Die Konfigurationsdirektiven Kapitel Programmieren MPLAB Schritt-für-Schritt Anleitung: Projekt erstellen Kapitel 9 - Chip zum schreiben vorbereiten Kapitel 10 - Chip beschreiben Kapitel 11 - Starten und betreiben des Mikrokontrollers Kapitel 12 - Reset des Mikrokontrollers Quellangaben... 36

3 Hinweise zur Doku Codeauszüge in dieser Dokumentation sind grundsätzlich in BLAU geschrieben. Links und Verweise sind in BLAU geschrieben und unterstrichen. Wichtige Informationen sind in ROT geschrieben. Gefahrenhinweise sind in DUNKELROT oder in WEISS auf DUNKELROTEM GRUND geschrieben. Hinweise sind mit SCHWARZER Schrift in einer SCHWARZ umrandeten Tabelle geschrieben. Alle eingefügten Bilder, Schemen und Libraries sind im Anhang dieser Dokumentation zu finden. Die Schemen wurden mit der Freeware Version von Eagle erstellt. Die angehängten MPLAB Projekt- und ASMfiles können ebenfalls mit MPLAB bearbeitet werden. Copyright Diese Dokumentation unterliegt dem Copyright (c) 2010 von Valentin Lätt. Die Dokumentation darf unter einhaltung folgender Kriterien frei weitergegeben und verteilt werden: - Der Upload der Dokumentation ist verboten, der Download der Dokumentation soll auf erfolgen, damit auch zukünftige Interessenten jederzeit über die aktuelle Version verfügen. - Der Copyrighthinweis darf weder entfernt, noch verändert werden. - Das Zitieren aus dieser Dokumentation ist unter Angabe der Quelle erlaubt. - Diese Richtlinien gelten auch bei teilweisen Auszügen aus dieser Dokumentation. Hinweise ACHTUNG: Bei der arbeit mit elektronischen Strömen und Spannungen ist Vorsicht geboten! Starke Ströme und hohe Spannungen können bis zum Tod führen. Die in dieser Dokumentation beschriebenen Mikrokontroller werden grundsätzlich mit sehr wenig Strom betrieben. Trotzdem ist bei grösseren Schaltungen zu beachten, dass sich Spannungen bis mehreren tausend Volt aufbauen können. Führen Sie Experimente aus dieser Dokumentation nur mit den erforderlichen Fachkenntnissen und entsprechenden Sicherheitsmassnahmen durch. Für jegliche Schäden haftet ausschliesslich die ausführende Person. HINWEIS: Für die in dieser Dokumentation befindlichen Webseiten und Links wird seitens des Autors keine Haftung übernommen. Der Autor distanziert sich von deren Inhalt und weist darauf hin, dass dieser keinen Einfluss auf den Inhalt der verlinkten Seiten hat. Die Seiten wurden zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der Dokumentation auf Verfügbarkeit und Inhalt geprüft und als gut empfunden. Der Inhalt der verlinkten Seiten kann sich jederzeit und ohne Ankündigung ändern.

4 Einführung Mikrochips sind überall in unserem Umfeld anzutreffen. Sei es in Lichtsteuerungen, Computern, Alarmanlagen, Taschenrechnern, Handys, Autos und vielen anderen technischen Gerätschaften. Sie alle würden ohne Mikroprozessoren nicht funktionieren. Mikroprozessoren sind also ganz praktische Helfer im Alltag, die sogar Leben retten können (zb: Automatische Elektrische Defibrillatoren oder Steuerungen im Krankenhaus). Es gibt in den hoch zivilisierten Ländern in Europa demnach kaum einen Menschen, der noch nie mit einem Gerät gearbeitet hat, welches einen Mikrochip als Unterstützung oder zum Betrieb enthält. Trotz der grossen Verbreitung von Mikrochips, weiss kaum ein Anwender wie diese funktionieren und wie sie 'zum Leben erweckt' werden. Auch wenn man im Internet entsprechende Informationen sucht sind meistens nur englische und zumeist noch sehr komplizierte Beiträge zu finden. Einen Verständlichen Beitrag in deutsch ist sehr schwer zu finden. Auch wenn man sich im Kollegenkreis über die Thematik Mikrokontroller und Assembler informiert ist meist nur ein Kommentar wie "Wer nutzt heute noch Assembler?" oder "Java nimmt dir die ganze Arbeit des tippens ab..." die Antwort. Wirklich weiterhelfen tun solche Kommentare leider nicht. Denn auch wenn die lieben Kollegen damit teilweise recht haben - Assembler ist und bleibt die einzige Sprache, welche Maschinen tatsächlich verstehen. Aus diesem Grund ist Assembler auch die Schnellste Programmiersprache. Auch Hochsprachen wie C++, Visual Basic, Cobol, Pascal oder Java sind um einiges langsamer und können in Punkto Umfang und Geschwindigkeit Assembler nicht das Wasser reichen. Wer also eine hochperformante Anwendung schreiben will, ist mit Assembler sehr gut beraten. Auch ermöglicht Assembler weitaus besseren Hardwarezugriff als dies irgend eine Hochsprache ermöglichen könnte. Mit Assembler kann direkt und ohne Umwege jedes einzelne Bit eines Prozessors gesetzt werden. Dadurch sind auch Funktionen, die mit Hochsprachen äusserst Kompliziert oder gar unmöglich zu Schreiben sind mit Assembler meist sehr simpel zu realisieren. Diese Dokumentation soll Interessenten einen Einblick in die Struktur und Funktionsweise von Mikrokontrollern geben und ihnen ermöglichen, selber kleine Steuerungen mit Mikrokontrollern zu bauen und zu betreiben. Die Funktionsweise Ein Mikrochip enthält im Grunde hunderte von Transistoren. Diese sorgen dafür, dass der Kontroller 'logische' Aufgaben bewältigen kann. Beispielsweise kann er aufgrund von Parametern Entscheidungen treffen oder anhand von zuvor getätigten Angaben folgende Aufgaben entsprechend ausführen und Werte speichern. An einige Chips sind Flash oder EEPROM Speicher angeschlossen, in welchen Daten oder Variablen gespeichert werden können. So kann ein Flash Speicher an einem USB Chip beispielsweise als Buffer für den USB Empfang verwendet werden, bevor die Daten auf einen externen Datenträger geschrieben werden. Komponenten wie serielle-, USB- oder parallele Schnittstellen sind ebenfalls Chipabhängig. Ebenfalls verfügen nicht alle Mikroprozessoren über eingebaute Taktgeber. Diese müssen dann jeweils extern ergänz werden. Die eingebauten Taktgeber sind meist nicht sehr genau und sollten nicht für zeitrelevante Anwendungen eingesetzt werden. Über die Ausgänge können dank leistungsfähigen Transistoren und Relais sogar sehr grosse Lasten geschaltet werden. So kann beispielsweise die Lichtsteuerung einer Produktionshalle Zeitgesteuert mit einem PIC Mikrochip realisiert werden.

5 Jeder Mikrochip verfügt über einige Befehle, welche benötigt werden um die Programme zu schreiben. Die Gesamtheit dieser Befehle eines Mikrokontrollers nennen sich Befehlssatz. Dieser Befehlssatz kann von Chip zu Chip variieren. Daher läuft nicht jeder Maschinencode auf jedem Chip. Die Einzelnen Befehle und Register sind im Grunde (Hexadezimale) Zahlen. Beispielsweise bezeichnet die Zahl '0F80h' das Register Namens 'PORTA'. Diese Zuordnung dient einzig und allein der besseren Verständlichkeit des Codes. Wir sprechen das Register 'PORTA' lieber unter dem Namen 'PORTA' als unter '0F80h' an. Dies aus dem Grund, dass das Menschliche Gehirn im allgemeinen Wörter besser verarbeiten kann als Zahlen. Es fällt uns also leichter einige Dutzend Befehle auswendig zu lernen als einige dutzend mehrstellige Hexadezimale Zahlen. Natürlich bekommt der Mikrochip von diesen Befehlen nichts mit. Diese werden vom Assembler beim kompilieren wieder in Zahlen umgewandelt. In der Datei 'P18F4455.INC' sind alle Befehle und Register definiert. Dies sieht in etwa so aus: PORTA PORTB PORTC PORTD PORTE LATA LATB LATC LATD LATE DDRA TRISA DDRB EQU H'0F80' EQU H'0F81' EQU H'0F82' EQU H'0F83' EQU H'0F84' EQU H'0F89' EQU H'0F8A' EQU H'0F8B' EQU H'0F8C' EQU H'0F8D' EQU H'0F92' EQU H'0F92' EQU H'0F93' Die folgenden Codezeilen funktionieren in beiden darstellungen. Die eine Version ist jedoch wegen der Verwendung von Wörtern anstelle von Zahlen für uns viel besser verständlich: BSF BCF PORTA,3 PORTA,2 80h 90h F80h,3 F80h,2 Wie in diesem Beispiel sehr gut zu sehen ist, verarbeitet der Mikrokontroller ausschliesslich Hexadezimale Zahlen. Umsetzung Für die Projektumsetzung werden verschiedene Chips bei Elektronikdistributoren eingekauft, welche danach mit einem speziellen Programmer beschrieben werden. Danach werden speziell angefertigte Testboards gebaut und die Chips auf diesen eingesetzt um die Funktionen zu testen. Es werden ausschliesslich Kontroller von Microchip eingesetzt. Als Programmer wird ein einfaches 'PICKit 3' eingesetzt. Der Programmcode wird in Assembler in der IDE ('Integrated Development Environment' -> Entwicklungsumgebung) namens MPLAB von Microchip geschrieben und auch mit dieser über den Programmer auf den Mikroprozessor geschrieben. In dieser Dokumentation wird primär der PIC18F4455 behandelt. Einige Beispiele sind jedoch auch für andere Chiptypen vorgesehen. Die Kompatibilität zu anderen

6 Prozessoren ist in diesem Fall nicht gewährt. In einem Extremfall hätte ein Chip einen ziemlich verschiedenen Befehls- und Registersatz.

7 Kapitel 1 - Die Informationsbeschaffung Das wichtigste im Umgang mit Mikrokontrollern sind korrekte und einfach aufzufindende Informationen. Diese sind an verschiedenen Orten zu finden. Es ist jedoch wichtig, dass die Informationen sehr gut und übersichtlich organisiert sind. Mögliche Informationsquellen sind Anleitungen im Internet, frühere Dokumentationen von anderen Interessenten und Herstellerinformationen. Das weitaus wichtigste Informationsmedium ist das Datenblatt des Chips. In diesem sind alle wichtigen Informationen zum Chip und zum Teil einzelne Infos zur Programmierung zu finden. Grundsätzlich sind die Informationsmedien in folgender Reihenfolge abzufragen: Datenblatt des Herstellers -> Informationen der Herstellerseite -> Informationen aus dem Internet -> Informationen aus Dokumenten von anderen Interessenten Da die meisten Informationsquellen ausschliesslich in englisch verfügbar sind, sind gute englisch Kenntnisse praktisch notwendig. Es ist sehr anstrengend jedes unbekannte Wort mit einem Übersetzer übersetzen zu lassen. Ebenfalls sind erweiterte Kenntnisse in der Elektronik sehr empfehlenswert. Es ist nun Mal keine 5-Minuten Angelegenheit, einen Mikrochip zu programmieren. Kapitel 2 - Die Hardwarebeschaffung Damit wir den Code, welchen wir entworfen haben auch testen können, benötigen wir entsprechende Hardware. Dies wären unsere Mikrochips. Diese können bei Elektronikdistributoren zu Preisen zwischen 1.00 Fr. und Fr. bezogen werden. Je grösser die eingekaufte Menge ist, desto kleiner werden die Preise. Je nach Lieferant können die Preise bis zu mehreren Franken variieren. Ein kurzer Vergleich der Lieferanten ist somit sehr ratsam. In der Schweiz sind folgende Lieferanten zu empfehlen: Für diese Dokumentation wurden sowohl die Mikrokontroller, als auch die anderen elektronischen Bauteile bei Distrelec.ch gekauft. Da das PICKit 3 zum Zeitpunkt des Einkaufs bei Distrelec noch nicht im Sortiment war (seit einigen Wochen ist es das jedoch...), wurde das PICKit bei Farnell bestellt. Bei der Auswahl des Mikrokontrollers ist darauf zu achten, dass kein OTP Modell gewählt wird. Ein OTP ('One Time Programming' -> Einmalig beschreibbar) Modell wäre nur einmalig beschreibbar. Da wir sicherlich mehr als ein Programm auf dem Chip testen möchten, benötigen wir einen wiederbeschreibbaren Chip. Ebenfalls wichtig ist, dass keine SMD Bauteile gekauft werden. SMD Bauteile sind für die industrielle Printbestückung mit Robotern vorgesehen. SMD Bauteile sind viel kleiner als die Normalen und können dadurch schlechter von Hand verlötet werden. Kapitel 3 - Die Softwarebeschaffung Die für das Programmieren des Chips notwendige Software kann man entweder in drei Komponenten (IDE, Compiler und Writer) oder als Paket herunterladen. Der Download als fertiges Paket erspart viel Konfigurationsarbeit und viel Downloadzeit. Ausserdem sind auf dem Internet viele qualitativ gute Softwarepakete zu finden. Meine Empfehlung lautet, das Paket namens MPLAB von Microchip zu verwenden. Dieses wird vom

8 Chiphersteller selber angeboten und wohl auch am besten unterstützt. Ausserdem sind alle nötigen Komponenten bereits eingebaut und miteinander verknüpft. Der Download des gesamten Pakets ist auf der Microchip Webseite unter zu finden. Dieses Paket steht sowohl für private als auch für kommerzielle Zwecke in uneingeschränkter Form kostenlos zum Download bereit. Nach der Installation muss der Rechner neu gestartet und das PICKit mit dem Rechner verbunden werden. Sobald die Verbindung zwischen MPLAB und dem PICKit erfolgreich aufgebaut wurde, wäre die gesamte Umgebung einsatzbereit. Kapitel 4 - Der Mikroprozessor Wie bereits erwähnt sind die meisten Versuche in dieser Dokumentation für einen PIC18F4455 Chip vorgesehen. Aus diesem Grund wird hier auch dieser Chip genauer unter die Lupe genommen. Alle in diesem Kapitel zu findenden Informationen stammen aus dem Datenblatt und sind auch dort wieder zu finden.

9 Die 'Electrical characteristics' Im Kapitel mit den elektronischen Charakteristiken (Elektronische Angaben) sind die wichtigsten Angaben zu finden, welche nicht missachtet werden sollten. Wenn der Mikrochip mit mehr oder weniger Strom oder Spannung als angegeben betrieben wird, kann der Chip Schaden nehmen oder unerwartete Reaktionen verursachen. ACHTUNG: Die Mikrokontroller werden in einer Verpackung geliefert, welche die elektronischen Bauteile vor ESD 2 sichert. Die Chips sind ESD empfindlich und sind entsprechend zu behandeln. Auszug aus dem Datenblatt des PIC18F4455 Aus diesen Angaben ist beispielsweise die Minimal- und die Maximalspannung (7.5V Max!) zum Betrieb des Mikrochips zu entnehmen. Auch die Minimalen und Maximalen Temperatur und Luftfeuchtigkeitswerte sind hier zu finden. Diese Angaben müssen zwingend eingehalten werden!

10 Die Pinbelegung Auf der Darstellung, auf welcher die Pinbelegung des Mikrochips gezeigt wird, sind die einzelnen Ein- und Ausgänge gut sichtbar. Aus dieser Grafik sind die Anschlüsse für externe Bauteile wie Quarze (Taktgeber) oder weitere Schnittstellen (Seriell, Parallel,...) oder für den Programmer zu entnehmen. Pinbelegungsübersicht des PIC18F4455 Die meisten Anschlüsse können für mehrere Zwecke eingesetzt werden. Wenn beispiel ein interner Oszillator (Taktgeber) verwendet wird, sind die Pins 13 und 14 für andere Zwecke einsetzbar. Die Ein- und Ausgangs Ports sind mit R gekennzeichnet. I/O Ports beim PIC18F4455 Chip sind RA, RB, RC und RD. Die einzelnen Bits auf den Ports können mit einer Nummer angesprochen werden. Das erste Bit auf Port A heisst somit RA0 und liegt auf Pin 2 des Chips. Übersicht der IO Ports des PIC18F4455 Typ Port Bit Pin Beschreibung R A 0 2 PORTA is an 8-bit wide, bidirectional port. R A 1 3 I/O Port R A 2 4 I/O Port R A 3 5 I/O Port R A 4 6 I/O Port R A 5 7 I/O Port R A 6 14 I/O Port R B 0 33 PORTB is an 8-bit wide, bidirectional port. R B 1 34 I/O Port R B 2 35 I/O Port

11 R B 3 36 I/O Port R B 4 37 I/O Port R B 5 38 I/O Port R B 6 39 I/O Port R B 7 40 I/O Port R C 0 15 PORTC is a 7-bit wide, bidirectional port. R C 1 16 I/O Port R C 2 17 I/O Port R C 4 23 I/O Port R C 5 24 I/O Port R C 6 25 I/O Port R C 7 26 I/O Port R D 0 19 PORTD is an 8-bit wide, bidirectional port. R D 1 20 I/O Port R D 2 21 I/O Port R D 3 22 I/O Port R D 4 23 I/O Port R D 5 24 I/O Port R D 6 25 I/O Port R D 7 26 I/O Port An diese Ein- beziehungsweise Ausgänge können Geräte wie beispielsweise weitere Mikrokontroller, LCD Displays, Netzwerk-, USB-, Seriell- oder Parallel Schnittstellen angeschlossen werden. Auch möglich wären Motoren, Lampen, Lautsprecher, Antennen und so weiter. Die Stromversorgung des Chips erfolgt über die Eingänge V DD und V SS, von welchen jeweils zwei Stück existieren. Die unbenutzten Pins werden über einen grossen Wiederstand mit V DD (Pull-up) verbunden. Kapitel 5 - MPLAB Projekt erstellen MPLAB hat eine sehr gute integrierte Projektverwaltung. Mit der Projektverwaltung kann ein komplettes Projekt in einem Ordner gespeichert und auch gleich komplett versendet oder weitergegeben werden. Das gesamte Projekt kann mit einem Klick auf die *.mcp Datei geöffnet werden. Folgend eine kleine Übersicht über die wichtigsten Dateiendungen, welche MPLAB verwendet. Endung Beschreibung *.mcp *.mcw *.asm Dies ist die Projektdatei. In ihr werden die gesamten Projektweiten Informationen wie Projektname, Beschreibungen, Chiptyp, Betriebsspannung, Include-Files, Configuration-Bit Einstellungen und so weiter gespeichert. In der mcw Datei wird der Workspace des Projekts gespeichert. Dies sind die offenen Fenster. Diese werden beim öffnen des Projektes wieder hergestellt. In dieser Datei ist der Assemblercode gespeichert, welcher vom Compiler in Maschinencode übersetzt wird.

12 *.hex *.err In der Hex-Datei ist der Maschinencode gespeichert, welchen der Compiler beim kompilieren erstellt hat. Der Inhalt dieser Datei wird beim schreiben an den Chip gesendet. In dieser Datei werden alle Warnungs- und Fehlermeldungen (Warning und Error), welche der Compiler bei der letzten Kompilation ausgegeben hat, angezeigt. MPLAB regelt nach dem angeben des verwendeten Chips zwar die meisten Parameter selber, es ist jedoch sehr empfehlenswert diese noch einmal zu überprüfen. Vor allem ist darauf zu achten, dass die korrekte Betriebsspannung gewählt ist, der richtige Chip gelistet ist und die richtige Include-Datei gewählt wurde. Falls die versorgungsspannung zu hoch angesetzt wurde, kann der Chip dauerhaften Schaden nehmen. Dies kann im Extremfall auch zu unerwarteten Funktionen führen. Bei der falschen Auswahl des Chips oder der falschen Include Datei werden meistens Fehlermeldungen wie "Variable undefiniert" oder "Chip in Include nicht gefunden" angezeigt. Kapitel 6 - Testboard Schema entwerfen Ein Schema für das Testboard zu erstellen ist sehr empfehlenswert, da darauf alle bauteile zusammengefasst und alle Verbindungen gut sichtbar sind. So muss bei einem Fehler nicht die ganze Platine wieder umgelötet werden, sondern zum Beispiel nur ein Bauteil gelöscht und ein anderes wieder eingefügt werden. Um die Prints zu erstellen ist ebenfalls jede Menge Software im Internet zu finden. Eines der am besten geeignetsten Programme für diesen Zweck ist 'Eagle'. Eagle ist unter zu finden und steht auch dort zum Download bereit. Während die Kommerzielle Version von Eagle etwas kostet gibt es für studien- und nicht kommerzielle Zwecke eine Freeware-Version mit einigen Einschränkungen. Die Freeware Version reicht jedoch für die Anwendung in diesem Projekt längstens aus. Der Downloadlink zur Freeware Version lautet In einer Software können nicht alle elektronischen bauteile der Welt vorhanden sein. Aus diesem Grund kann man das Programm um eine Bibliothek erweitern. In einer Bibliothek befinden sich meistens alle Teile einer Serie oder eines Herstellers. Mit Eagle ist es auch möglich eigene Bibliotheken zu erstellen. Die meisten Anbieter stellen die Bibliotheken ('Libraries') Ihrer Mikrochips auf der Webseite zum Download bereit. Nachdem ein Schema mit Eagle erstellt und getestet wurde, kann Eagle selbstständig ein Layout generieren, welches auf einen Print geätzt werden könnte. Diese Funktionen werden wir jedoch nicht benutzen, da dies für diese Doku noch keinen Sinn machen würde.

13 Eagle Schritt-für-Schritt Anleitung 1) Eagle starten mit einem Doppelklick auf das entsprechende Icon. 2) Der Eagle Startbildschirm erscheint.

14 3) Ordnerstruktur und Schema wie abgebildet anlegen. 4) Schema mit doppelklick öffnen. Nun kann das leere Schema bearbeitet und gestaltet werden.

15 Weitere Anleitungen zu Eagle sind unter eagle/print/print.htm und in den der Software beigelegten PDF Dokumenten zu finden. Anleitungen zum erstellen von Bibliotheken oder anderem sind mit Google in Fülle zu finden. Da jedoch schon sehr viele Bibliotheken vorhanden sind und auch noch einige aus dem Internet geladen werden können, ist es meistens nicht notwendig eigene zu erstellen. Das erstellen eines Layouts um eine Platine zu ätzen ist in unserem Falle nicht notwendig, da es sich bei den Schaltungen aus dieser Doku um sehr kleine Schaltungen handelt, welche nach einer groben Planung problemlos aus dem Kopf verlötet werden können. Kapitel 7 - Testboard erstellen Nachdem das Schema, der Entwurf des Testboards, erstellt wurde, muss dieser nun noch auf einem Print umgesetzt werden. Um ohne grossen Aufwand einfache Testboards zu erstellen empfehle ich ganz simple und kostensparende Prints, sogenannte 'Hartpapier Laborkarten' 3, einzusetzen. Diese sind ganz einfach zu bestücken und bereits mit Kupferlötaugen ausgestattet. Es muss nicht extra ein Print geätzt werden. Beim erstellen des Testboards ist darauf zu achten, dass die unbenutzten Ein- und Ausgänge mit einem Pull-up oder Pull-down Widerstand an V DD oder V SS angelegt werden. Auch sollte das Testboard nicht zu gross werden, damit die Leiterbahnen nicht zu Antennen werden und dadurch Fehlimpulse verursachen können. Falls ein externer Oszillator zum Betrieb des Mikrokontrollers eingesetzt wird, ist darauf zu achten, über diesen ebenfalls einen zweiten Beipass C anzubringen um ein sauberes Eingangssignal zu erhalten. Es ist sinnvoll, den Chip nicht fest einzulöten sonden einen Sockel zu verwenden. Aus diesem kann man den Chip ohne grossen Aufwand wieder entfernen um ihn im einem anderen Board zu verwenden. So kann man sich die Kosten für mehrere Mikrochips sparen und mit ein oder zwei Chips mehrere Testboards betreiben. Es ist jedoch sicherlich empfehlenswert, jederzeit einen Ersatz-Chip beiseite zu halten. Sockel mit 40 Pin für PIC 18F 4455

16 Um bei einem Testboard Signale einzuspeisen, können Simulations-Boards verwendet werden. Beim unten abgebildeten Board können Ausgangssignale über USB an die Ausgänge gesendet werden. So kann beispielsweise ein Interrupt beim Mikrochip ausgelöst werden. Beispiel eines simplen handgefertigten Testboards Beispiels eines industriell gefertigten Testboards

17 Beispiel eines Simulations-Boards (K8055 von Vellemann) Kapitel Programmieren des Codes Der Quellcode eines Assembler Programmes sieht immer im etwa gleich aus. Es ist auch sehr empfehlenswert die Codeschreibweise so beizubehalten, damit andere Programmierer diesen problemlos lesen und verändern können. In diesem Kapitel wird nur der Code an sich behandelt. Eine Anleitung zum konfigurieren von MPLAB ist in einem der folgenden Kapitel zu finden. Um ein Gemisch zu vermeiden empfehle ich, den Code komplett gross- und die Kommentare entsprechend der Deutschen oder Englischen Rechtschreibung zu

18 verfassen. Für den Compiler spielt es keine Rolle, da dieser so oder so alles in HEX- Zahlen und Grossbuchstaben verarbeitet. Codetemplate des PIC16F84A (Bereits leicht angepasst) ;***************************************************** ; This file is a basic code template for assembly code generation ; on the PICmicro PIC16F84A. This file contains the basic code ; building blocks to build upon. ; If interrupts are not used all code presented between the ORG ; 0x004 directive and the label main can be removed. In addition ; the variable assignments for 'w_temp' and 'status_temp' can ; be removed. ; ; Refer to the MPASM User's Guide for additional information on ; features of the assembler (Document DS33014). ; ; Refer to the respective PICmicro data sheet for additional ; information on the instruction set. ; ; Template file assembled with MPLAB V and MPASM V ; ;***************************************************** ; ; Filename: xxx.asm ; Date: ; File Version: ; Author: ; Company: ; ;***************************************************** ; Files required: ; ; ;***************************************************** ; Notes: ; ; ;***************************************************** LIST P=16F84A ; list directive to define processor #INCLUDE <P16F84A.INC> ; processor specific variable definitions ; CONFIG _CP_OFF & _WDT_ON & _PWRTE_ON & _RC_OSC ; ' CONFIG' directive is used to embed configuration data within.asm file. ; The lables following the directive are located in the respective.inc file. ; See respective data sheet for additional information on configuration word. ; -> Wir setzen die Konfiguration in den Configuration Bits! ;***** VARIABLE DEFINITIONS w_temp EQU 0x0C ; variable used for context saving status_temp EQU 0x0D ; variable used for context saving ;***************************************************** ORG 0x000 ; processor reset vector GOTO MAIN ; go to beginning of program

19 ORG 0x004 ; interrupt vector location MOVWF W_TEMP ; save off current W register contents MOVF STATUS,W ; move status register into W register MOVWF STATUS_TEMP ; save off contents of STATUS register ;Isr code can go here or be located ;as a call subroutine elsewhere MOVF STATUS_TEMP,W ; retrieve copy of STATUS register MOVWF STATUS ; restore pre-isr STATUS register contents SWAPF W_TEMP,F swapf W_TEMP,W ; restore pre-isr W register contents RETFILE ; return from interrupt MAIN END ; remaining code goes here ; directive 'end of program' for our compiler Codetemplates Auf 1 sind für annähernd jeden Chip Codetemplates zu finden, welche den Grundlegenden Code bereits beinhalten. In diese Vorlagen braucht man lediglich noch seinen eigenen Code einzufügen. Es wird auch von seitens Microchip empfohlen, diese Codetemplates zu verwenden. Die Templates stehen für Assembler und Basic bereit. Das Listing Im Listing wird dem Assembler mitgeteilt, welcher Chip verwendet wird. Aufgrund dieser Angabe werden verschiedene Variablen definiert. Diese Variablen werden aus der gleich nach dem Listing plazierten INCLUDE-Datei geholt. Das ganze sieht beispielsweise so aus: LIST #INCLUDE P=16F84A <P16F84A.INC> Die Konfigurationsdirektiven Die Konfigurationsdirektiven können entweder im Code nach dem Listing, oder in den 'Configuration Bits' gesetzt werden. Die Configuration Bits sind im MPLAB unter 'Configure -> Configuration Bits' zu finden. Da können diese gesetzt werden und werden vom Compiler automatisch beim kompilieren des Programms mit einbezogen. Folgend eine Übersicht der Configuration Bits des PIC18F4455 aus MPLAB. Übersicht der Configuration Bits des PIC18F4455 aus MPLAB

20 Ich empfehle grundsätzlich, die Konfigurationsdirektiven (Configuration Bits) im MPLAB in den Configuration Bits zu setzen. Zum einen hat man dort eine Auswahl der möglichen Variablen und zum anderen können keine Schreibfehler zu Fehlern beim kompilieren führen. Beim schreiben eines Programmes sind verschiedene Schritte einzuhalten. Folgende Schritte verhindern Fehler und stellen die korrekte Funktion des Mikrochips sicher: Schritt 1 : Projekt in MPLAB erstellen. Schritt 2 : Chipauswahl kontrollieren. Schritt 3 : Programmer auswählen und Verbinden. Schritt 4 : Stromversorgung über PICKit kontrollieren. Schritt 5 : Einstellungen kontrollieren. Schritt 6 : ASM File erstellen und Code schreiben. Schritt 7 : Projekt speichern. Schritt 8 : Projekt kompilieren und auf den PIC schreiben. Kapitel Programmieren Das programmieren von Assembler wird von vielen Personen als ausgezeichnet kompliziert und anstrengend bezeichnet. Dies ist jedoch nur dann der Fall, wenn man die Befehle nicht gut kennt und jegliche Informationen, welche zum Programmieren benötigt werden aus mehreren Quellen zusammensuchen muss. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, beim Programmieren zwei Dinge griffbereit zu halten: - Befehlsübersicht - Informationsquelle (Bsp: Buch)

21 Wichtig ist es, dass das Buch nicht allgemein über Assembler sonden über die Ansteuerung von PIC Mikrochips handelt. Es gibt hierüber genügend aktuelle Sachliteratur (zb: "Easy PIC'n"). Die Befehlsübersicht und die korrekte Verwendung der Befehle ist im jeweiligen Datenblatt jedes Chips zu finden. Befehlsübersicht des Befehls 'BSF' aus dem Datasheet Wird werden nun einen kleinen Code programmieren und komplett kommentieren. Als erstes entscheiden wir uns, ein kleines "Hallo Welt" Programm zu schreiben, welches eine LED an Port RA0 zum blinken bringt. Wir verwenden einen 8MHz Oszillator. Schema des "Hello World" Boards für den PIC18F4455

22 Als erstes benötigen wir ein Grundgerüst für den Code. Hierfür verwenden wir am besten den Code aus obigem Beispiel. Diesen ändern wir wie folgt für unseren PIC18F4455 Chip ab. Codetemplate für den PIC18F4455 Mikrochip ;***************************************************** ; Filename: xxx.asm ; Date: ; File Version: 1.0 ; Author: Valentin Lätt ; Web: ;***************************************************** ; Notes: ; Lässt die LED an RA0 blinken. ;***************************************************** LIST P=18F4455 ; list directive to define processor #INCLUDE <P18F4455.INC> ; processor specific variable definitions ; -> Wir setzen die Konfiguration in den Configuration Bits! ORG 0x000 ; processor reset vector GOTO MAIN ; go to beginning of program MAIN END ; remaining code goes here ; directive 'end of program' for our compiler Nun haben wir allen Code, den wir nicht benötigen entfernt und sind jedetzt bereit, den für unser Programm tatsächlich benötigten Code zu erarbeiten.

23 MPLAB Schritt-für-Schritt Anleitung: Projekt erstellen 1) MPLAB mittels einem Doppelklick auf das Icon starten. 2) Projektwizard starten: Project -> Project Wizard anklicken.

24 3) Startfenster des Assistenten erscheint: Auf 'Weiter' klicken. 4) Chip auswählen und mit einem Klick auf 'Weiter' bestätigen.

25 5) Compiler definieren und mit einem Klick auf 'Weiter' bestätigen. 6) Speicherpfad und Name des Projektes festlegen. Achtung: Es kann zu fehlern kommen wenn sich ein Leerschlag (Leerschlag = Space = ' ') im Projektpfad befindet. Auswahl mit einem Klick auf 'Weiter' bestätigen.

26 7) Pfad mit einem Klick auf 'Weiter' bestätigen. 8) Hier besteht die Möglichkeit, bestehende Quellcodedateien zum Projekt hinzuzufügen. Da wir dies bei unserem neuen Projekt nicht benötigen überspringen wir diesen Schritt mit einem Klick auf die Schaltfläche 'Weiter'.

27 9) Zusammenfassung auf Korrektheit überprüfen und mit einem Klick auf 'Fertig stellen' bestätigen. 10) Nun haben wir das leere soeben erstellte Projekt vor uns.

28 11) Einstellungsmenu aufrufen mit einem Klick auf 'Configure' und dann auf'settings...'. 12) Häkchen wie abgebildet setzen und mit einem Klick auf 'Übernehmen' bestätigen.

29 13) Programmer auswählen 14) Programmer -> Settings Menu öffnen.

30 15) Häkchen wie folgt anpassen. 16) Versorgungsspannung des PICKit 3 zum Chip auf 5Volt setzen, mit einem Klick auf 'Übernehmen' bestätigen und das Fenster schliessen.

31 17) 'Project' und danach 'Add new File to Project' anklicken um entsprechenden Dialog zu öffnen. 18) Im Projektordner einen neuen Ordner erstellen namens 'src' für die Sourcecode Files.

32 19) Quellcodedatei namens 'main.asm' im 'src' Ordner durch einen entsprechenden Klick auf 'Speichern' erstellen. 20) Im Codefenster mit einem Rechtsklich den 'Properties...' Dialog öffnen.

33 21) Häkchen wie abgebildet setzen, mit einem Klick auf 'Übernehmen' bestätigen und das Fenster schliessen. 22) Nun ist die fertig bereite Programmieroberfläche zu sehen.

34 Kapitel 9 - Chip zum schreiben vorbereiten Als nächstes wird der Chip mit dem PICKit Programmer verbunden. Dafür muss der Chip mit dem Programmer über dessen Ausgang verbunden werden. Das Ausgangsschema ist in der Anleitung des PICKit3 zu finden. Pin Bezeichnung Beschreibung Pin 1 VPP / MCLR Schreibspannung Pin 2 VDD Betriebsspannung Pin 3 VSS Ground Pin 4 PGD Daten Pin 5 PGC Taktung Pin 6 LVP Unbenutzt Beim verdrahten ist darauf zu achten, dass die Leitungen zwischen Pickit und Chip sehr kurz gehalten sind. Sobald diese zu lange sind, agieren diese als 'Antennen' und fangen Störsignale auf, welche sowohl den Schreibvorgang, als auch die Stromversorgung massiv stören können. Solche Störungen werden am besten mit einem Beipass C (Kondensator über VDD und VSS) ausgefiltert. Möglich wären beispielsweise einen 47uF 16V und einen 100mF 16V Kondensator über die 5V Stromversorgung. Bei der Verwendung der Stromversorgung über das PICKit3 ist es nicht notwendig und nicht empfohlen die beiden Beipass C einzubauen. Das PICKit enthält bereits solche und das einfügen von weiteren Kapazitoren kann den Schreibvorgang verhindern. Eine mögliche Verdrahtung könnte wie auf folgendem Schema dargestellt aussehen. Schema_1: Programmier-Verdrahtung des PIC18F4455 mit dem PICKit 3 Programmer

35 Kapitel 10 - Chip beschreiben Bevor der Chip angeschlossen und beschrieben wird, muss ein Code vorhanden sein, welchen man auf den Chip brennen kann. Als Versuch werden wir einen Code brennen, welcher eine einzige LED zum leuchten bringt, sobald der Chip gestartet wurde. Die LED geht erst wieder aus, wenn der Prozessor ausgeschaltet wird. Um den Chip zu beschreiben wird von einem Taktgeber auf dem PICKit Board eine gewisse Frequenz erzeugt. Mit dieser Frequenz werden die Daten (Aus dem HEX File) in den Chip 'gebrannt' (oder getaktet). Damit der Chip erkennt, dass nun das Programm in den Chip gebrannt werden soll, wird an den MCLR Pin eine sogenannte Programmierspannung angelegt. Diese ist meistens höher als die normale Betriebsspannung. Beim PIC18F4455 reicht es jedoch aus, die 5 Volt von V DD an den MCLR zu legen. Der Chip generiert für den Schreibvorgang intern eine höhere Spannung am MCLR Port. Aufgrund dieser höheren Spannung erkennt der Chip, ob er sich im Schreibmodus oder im Normalbetrieb befindet. Bild des PICKit3

36 Sobald also am MCLR Port eine Spannung angelegt wird, wird der Code aus dem HEX- File mit dem PICKit 3 Programmer entsprechend der Frequenz, welche das PICKit generiert, in den Chip getaktet. Kapitel 11 - Starten und betreiben des Mikrokontrollers Für einen reibungslosen Start und Betrieb des Mikrokontrollers sind mehrere Kriterien zu erfüllen. Wenn diese Kriterien erfüllt sind, sollte einem ungehinderten einwandfreien Betrieb nichts mehr im Weg stehen. Ein wichtiges Kriterium ist eine saubere Versorgungsspannung ohne grosse Spannungsschwankungen. Dies kann erreicht werden, indem über die Spannungsversorgung ein Beipass Kapazitor gelegt wird, welcher die Unebenheiten der Versorgung und die Unebenheiten, welche durch starke Schaltströme entstehen, herausfiltert. Kapitel 12 - Reset des Mikrokontrollers Damit der Chip nicht aus- und wieder eingeschaltet werden muss um das Programm neu zu starten, wurde ihm ein Reset-Mechanismus eingebaut. Der Pin dieses Mechanismus wird als MCLR, 'Master clear Reset' bezeichnet. An diesen Pin wird der die V DD Stromversorgung mit einem Widerstand angelegt. Sobald V DD dann auf 0 springt, wird ein Reset ausgeführt. Auf dem Testboard haben wir den MCLR mit einem Taster an VSS angelegt. Sobald nun der Taster betätigt wird, fällt die Spannung an MCLR ab und ein Reset wird veranlasst. Quellangaben ) Die Codetemplates sind auf der Chipseite zu finden, wo auch das Datenblatt zum Download bereitsteht. 2) ESD = Electro static discharge = Elektrostatische Entladungen. Statische Ladungen, die ein elektronisches Bauteil zerstören oder beschädigen können und unerwartete Reaktionen zur Folge haben können. Die Bauteile sollten nur mit einem Erdungsband

37 berührt werden. Sobald sich auf einem Print heikle elektronische Bauteile befinden ist dieser nicht mehr ohne ESD Schutz zu berühren und auch mit einem Antistatischen Sack zu verpacken. Die Erdung des Gehäuses für den Prints muss sichergestellt werden. 3) Die Laborkarten bestehen aus Phenolharzpapier und besitzen runde Lötaugen aus Kupfer im Normabstand. Es gibt auch Karten, welche mit Lötstreifen aus Kupfer bestückt sind. Empfohlen werden diejenigen mit den runden Lötaugen. Distrelec Bestellnummer: