PIC18F2455/2550/4455/4550

V tomto článku si popíšeme velmi výkonný "luxusní" osmibitový mikrokontrolér řady 18F od firmy Microchip. Umí komunikovat se sběrnicí USB 2.0 při plné rychlosti (12 Mbit/s). Kromě toho má také mnoho dalších zajímavých periferních obvodů, např. obvod pro přepnutí na náhradní zdroj hodin pro případ, že přestane fungovat hlavní krystal.

1. Základní charakteristika

• 8-bitový mikrokontrolér s architekturou RISC

• Harvardská architektura = paměť programu oddělená od datové paměti

2. Paměť

• 2 kB SRAM

• 256 B EEPROM, 1 000 000 zápisů

• programová paměť typu Flash 24 - 32 kB, 100 000 zápisů

• procesor se může sám přeprogramovat

3. Pracovní režimy

• Napájení:4,2 V - 5,5 V (verze 18LF: od 2 V)

• Run: CPU on, peripherals on

• Idle: CPU off, peripherals on

• Sleep: CPU off, peripherals off

4. Pracovní frekvence

• instrukční cyklus: t_ic = t_osc · 4

  • 4 takty oscilátoru na každou instrukci

  • skoky a rozhodovací instrukce zaberou 2 instrukční cykly, tedy 8 taktů

• Hodiny lze přivádět externě nebo z interního kalibrovatelného oscilátoru (31250 Hz - 8 MHz).

• f_max = 48 MHz, 12 MIPS

• Vnitřní fázový závěs 96 MHz => pomocí krystalu 4 MHz lze vytvořit taktovací kmitočet 48 MHz nebo jeho zlomek. Toto řešení je velmi odolné proti rušení!

• Jádro a USB modul mohou pracovat na odlišných frekvencích.

5. Instrukční soubor

• 75 standardních instrukcí (pro srovnání: řada PIC 16: pouze 35 instrukcí)

• 8 speciálních instrukcí pro tuto řadu (lze zapnout/vypnout)

• osmibitové a jednobitové instrukce (pro srovnání: např. AVR nemá jednobitové instrukce)

• instrukční soubor je optimalizován pro programování v jazyce C

• 16-bitové instrukční slovo (pro srovnání: řada PIC 16: 14-bitové slovo)

• hardwarová jednocyklová násobička 8 × 8 bitů => 16-bitový výsledek

6. Periferie

6.1 Porty

• 5 obousměrných portů: PORT A - PORT E

• Všechny vstupně-výstupní nožičky umožňují maximální proud 25 mA (vstup i výstup).

6.2 Časovače

• Časovač TIMER0:

  • lze přepínat na 8-bitový / 16-bitový

  • interní / externí zdroj hodin

  • volba hrany časovacího impulzu: vzestupná / sestupná

  • dělicí poměr: 1:2 - 1:256

• Časovač TIMER1:

  • 16-bitový časovač / čítač

  • dělicí poměr 1:1 - 1:8

• Časovač TIMER2:

  • 8-bitový časovač

  • velmi variabilní dělicí poměr: 1:1 × 1:1 až 1:16 × 1:16

• Časovač TIMER3:

  • 16-bitový čítač

  • asynchronní / synchronní režim

  • dělicí poměr 1:1 až 1:8

6.3 CCP = Capture/Compare/PWM

• 2 jednotky CCP

• Capture:

  16 bit, max. rozlišení 5,2 ns

  
  Obr. 4: Capture mode

• Compare:

  16 bit, max. rozlišení 83,3 ns

  
  Obr. 5: Compare mode

• PWM

  PWM = pulzně-šířková modulace: 6,6 bitů (417 kHz) - 10 bitů (2,44 kHz) při 40 MHz

• ECCP = Enhanced CCP:

  • 2 nebo 4 výstupní kanály

  • volitelná polarita výstupu

  • programovatelná „mrtvá zóna“ (Dead Band) pro řízení spínacích můstků motorů

  • atd.

6.4 Streaming Parallel Port

• 8-bitový port pro rychlé přenosy dat

• obousměrný

• pracuje jako master

• data lze přenášet mezi jádrem CPU nebo řadičem USB

6.5 Master Synchronous Serial Port

• 2 módy:

  • SPI

  • nebo I²C

6.6 Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter (EUSART)

• plně duplexní asynchronní přenos nebo poloviční duplex

• synchronní přenos: master nebo slave

• automatická detekce přenosové rychlosti

• lze využít pro sběrnici LIN

6.7 10-bitový A/D převodník

• 10 multiplexovaných vstupů

6.8 Modul analogových komparátorů

• 2 analogové komparátory

• programovatelná reference

7. USB

7.1 USB obecně

• Universal Serial Bus = Univerzální sériová sběrnice

• Navržená především pro komunikaci mezi hostitelským (výkonným) počítačem a menšími přídavnými zařízeními.

• Implementace USB 2.0 = současný standard (dříve USB 1.1).

• Rychlost přenosu:

  • Low Speed = 1,5 Mbit/s (USB 1.1)

  • Full Speed = 12 Mbit/s (USB 1.1)

  • Dále norma USB definuje tzv. High Speed = 480 Mbit/s (USB 2.0), ale tato rychlost není v tomto mikrokontroléru implementována.

7.2 Implementace USB

• 1 kB RAM s duálním přístupem: do paměti může přistupovat jádro procesoru i řadič USB.

  
  Obr. 8: Schéma USB modulu

• Propojení se Streaming Parallel Portem

• Hardwarová vrstva umožňuje všechny 4 druhy přenosů:

  • Řídicí (Control) přenosy jsou používány ke konfiguraci zařízení při jeho připojení a mohou být použity k dalším účelům, jako např. k řízení další komunikace.

  • Hromadné (Bulk) přenosy slouží k přenosům velkého množství dat a jsou na ně kladena nejmenší omezení.

  • Přerušovací (Interrupt) přenosy slouží k včasnému a spolehlivému doručení dat, nejčastěji pro asynchronní události.

  • Izochronní (Isochronous) přenosy zabírají předem smluvené množství přenosového pásma a mají předem dohodnuté zpoždění. Tento druh přenosů je také nazýván proudový přenos v reálném čase (streaming real-time transfer).

• 32 koncových bodů (nebo 16 obousměrných)

  • Koncový bod (endpoint) je část USB zařízení, která stojí na jednom konci komunikačního toku mezi hostitelem a zařízením. Každé logické zařízení se skládá z několika nezávislých koncových bodů. Tomuto logickému zařízení je během připojování přiřazena jednoznačná identifikace v rámci sběrnice. Každý koncový bod v rámci zařízení má přiřazen výrobcem kód, nazývaný číslo bodu (endpoint number) v rozsahu 0-15. Endpointy mají zároveň návrhem pevně daný směr komunikace (příjem / vysílání dat). Kombinace identifikátoru zařízení, čísla endpointu a směru komunikace dává dohromady jednoznačné určení endpointu v rámci USB sběrnice. V jednom zařízení se tedy mohou vyskytnout dva endpointy se stejným číslem a různým směrem přenosu dat.

  • Koncový bod nula (endpoint zero) musí být implementován v každém USB zařízení a slouží k prvotní konfiguraci zařízení. (Ve skutečnosti jde o endpointy dva, jeden pro vstup dat a jeden pro výstup, oba s číslem 0, ale hovoří se pro zjednodušení o "koncovém bodu 0", nikoli o "koncových bodech".)

  • Ostatní koncové body (Non-endpoint Zero) mohou být implementovány USB zařízením podle potřeby. Low speed zařízení jsou limitována počtem dvou dalších endpointů (kromě dvou s číslem 0). Full speed zařízení mohou mít dalších endpointů tolik, kolik umožňuje definice protokolu (tedy 15 vstupních a 15 výstupních).

8. Závěr

Procesor řady PIC18F4550 je velmi výkonný osmibitový procesor se zančným množstvím periferií, z nichž nejvýznamnější je sběrnice USB.

Na českém maloobchodním trhu je k dostání např. u firmy TME, cena se pohybuje kolem 173 Kč včetně DPH, je dostupná varianta PIC18F4550 v pouzdře DIL a TQFP.

Výrobce dodává podpůrný software pro zjednoušení a zkrácení vývoje USB aplikací, ale software včetně ovladačů je dostupný pouze pro operační systém Microsoft Windows, což je nesporná nevýhoda.

Lze sehnat celou řadu kompilátorů C, ale žádný z nich není zcela zdarma. Jediná výjimka je SDCC (Small Device C Compiler) s implementací pro PIC, ale ten je spíše ve vývoji a navíc jeho konfigurace dá značnou práci.

9. Použitá literatura

• usb.org - mezinárodní normotvorná organizace

• USB - Universal Serial Bus - Popis rozhraní - článek na hw.cz

• USB 2.0 - díl 1 - seriál o USB na hw.cz

• USB 2.0 - díl 2

• USB 2.0 - díl 3

• www.microchip.com - výrobce mikrokontrolérů PIC

• USB PIC Microcontrollers - nabídka mikrokontrolérů s rozhraním USB