PIC單片機的應用設(shè)計技巧

    美國微芯公司(Microch{p Technology Inc．)開發(fā)的CM0S工藝PIC系列8位單片機(RISC微控制器)，特別是采用內(nèi)置第二代Flash存儲器(40年存儲壽命)的微控制器在快速應用方面具有獨到之處。由于其易用性和高可靠性，該系列微控制器穩(wěn)居8位單片機全球出貨量之首。PIC系列單片機具有指令集簡潔、簡單易學、速度高、功能強、功耗低、價格低廉、體積小巧、適用性好及抗干擾能力強等特點，大量應用于汽車電氣控制、電機控制、工業(yè)控制儀表和儀表、通信、家電、玩具、低功耗的測控應用等領(lǐng)域，在國內(nèi)越來越受到廣大設(shè)計者的歡迎，微芯公司的單片機已經(jīng)成為目前單片機世界的主流產(chǎn)品。 

    PIC 8位單片機內(nèi)已經(jīng)包含運算器、存儲器、A／D、PWM、輸入和輸出I／O(灌電流可達25mA)、通信等常用接口，自由靈活的定義功能可以適應不同的控制要求。而不必增加額外的IC芯片。這樣電路結(jié)構(gòu)很簡單，開發(fā)周期將大為縮短。 

    PICl6系列單片機屬于PIC8位單片機的中級型產(chǎn)品，采用14位的RISC指令系統(tǒng)。筆者使用PICl6F716單片機設(shè)計了一個電動機保護器，在設(shè)計過程中遇到很多問題，通過多方查找資料以及向Microchip公司技術(shù)人員尋求支持，問題一一得到解決。現(xiàn)將部分問題記錄如下，與大家一起探討。 

    1 ICD2作為程序燒寫的使用 


    1.1 ICD2簡介 
     

    MPLAB ICD2在線調(diào)試器是一款低價位的PIC開發(fā)工具。它利用Flash工藝芯片的程序區(qū)自讀寫功能來實現(xiàn)仿真器調(diào)試功能；使用的軟件平臺是Microchip的MPLAB IDE(集成開發(fā)環(huán)境軟件包)，兼容Windows NT、Windows 2000和Windlows XP等操作系統(tǒng)。其通信接口方式可以是USB(最高可達2Mb／s)或RS-232串行接口方式；工作電壓范圍為2．O～5．5V，可支持最低2．0V的低壓調(diào)試。 

    MPLABICD2可以支持大部分Flash工藝的芯片。它不僅可以用作調(diào)試器，同時還可以作為開發(fā)型的燒寫器使用。 

    1．2 ICD2作為燒寫器時的配置 
     

    燒寫芯片的方式有兩種：普通燒寫和在線燒寫。在線燒寫是適合大批量生產(chǎn)方式的燒寫辦法。使用在線燒寫時通常用戶都已經(jīng)把芯片焊到了板上，此時就要求用戶板上有預留的燒寫接口。用戶板上的接口是通過一條6芯的扁平電纜與ICD2主機上同樣的接口一一對應連接的。圖1顯示了MPLAB ICD2與目標板上模塊連接插座的互連狀況。 

    ICD連接插座有6個引腳，但只使用了其中的5個引腳，分別是VDD(電源)、VSS(地)、VPP(編程電壓)、PGC(同步時鐘)和PGD(數(shù)據(jù))。 

    1．3 ICD2作為燒寫器時容易出現(xiàn)的問題及解決方法 
     

    盡管MPLAG ICD2與目標板的互連非常簡單，但是一不小心就會出現(xiàn)問題，基本上每一個PIC的入門者都會碰到類似的問題。下面就一些常見問題作簡要敘述。 

    如圖l所示，在VPP與VDD之間通常要串接一個上拉電阻(通常約為lOkΩ)，這樣VPP線可置為低電平來手動復位PICmicro單片機。但是對一般設(shè)計者來說，都是采用上電自動復位。如果在這里采用集成器件DMP809，那么就會導致連接不上，程序沒有辦法燒入。 

    對于PGC、PGD兩根線，由于在ICD2內(nèi)部已經(jīng)進行了上拉，所以在外圍設(shè)計中，不要冉進行上拉，否則會造成分壓。對于PGC、PGD和VPP三根線，不要對地接電容．因為電容會阻礙在數(shù)據(jù)和時鐘線上電平的快速轉(zhuǎn)換，從而影響ICD2與目標板的連接。同樣對于PGC、PGD，由于數(shù)據(jù)或時鐘都是雙向傳輸?shù)?，這時如果在中間串一個二極管，則會影響ICD2與單片機的雙向通信。 

    但是，對PGC和PGD來說，在單片機上同時復用為普通I／O口，而有些使用上必須要接對地電容或者是串接二極管。對于這種情況，唯一的處理方式就是在燒寫時從芯片的PGC和PGD端口直接跳線到程序燒寫口。 

    2 A／D轉(zhuǎn)換通道切換問題 
     

    筆者所設(shè)計的電動機保護器需要進行很多A／D轉(zhuǎn)換，比如三相電流轉(zhuǎn)換、零序電流轉(zhuǎn)換以及各種定位器等。但是筆者所采用的PIC16F716單片機只有5路A／D轉(zhuǎn)換通道，因此附加了一個多位選擇開關(guān)對一個A／D通道進行復用。而在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)這樣一個問題，就是A／D轉(zhuǎn)換值不準確，甚至有點亂，但從程序流程以及代碼角度均查不出任何問題。后查明PICl6F716單片機進行A／D轉(zhuǎn)換通道切換時，需要一定的延時，延時時間是毫秒級。解決辦法是：在通道問切換時，當?shù)谝粋€通道轉(zhuǎn)換完成后，先轉(zhuǎn)到另一個通道；然后延時1ms左右，再進行A／D轉(zhuǎn)換。而對同一個通道信號切換時，要在第一個信號轉(zhuǎn)換完成后，禁止信號輸入，延時1ms左右；然后輸人信號，再進行A／D轉(zhuǎn)換。 

    這種做法比較麻煩，也很占用時間，并且從調(diào)試結(jié)果來看，問題并沒有解決。在反復進行調(diào)試中，最后得到的優(yōu)化解決辦法是：對于通道間轉(zhuǎn)換以及同一通道信號轉(zhuǎn)換，要對每一個信號至少進行兩次A／D轉(zhuǎn)換；第一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，舍棄不予處理，只取第二次A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。從調(diào)試結(jié)果來看，很好地解決了這一問題。 

    3 軟件開發(fā)小技巧 
    

    PIC單片機采用精簡指令集，例如對于PICl6F716單片機，只有35條單字節(jié)指令。要用這么少的指令實現(xiàn)復雜的控制或計算，顯然要在軟件設(shè)計上多下功夫，并且PIC的指令系統(tǒng)與51系列單片機有很大不同，這讓PIC初學者很不適應。下面筆者就自己的體會，談一些軟件設(shè)計需要注意的問題。 

    3.1 指令的大小寫問題 
    

    編寫PIC單片機的源程序，除了源程序的開始處需要嚴格的列表指令外，還須注意源程序中字母符號的大小寫規(guī)則，否則在PC機上匯編程序時不會成功。在源程序中都會使用偽指令I(lǐng)NCLUDE。這條指令將列表中指定的單片機文件(在MPLAB中)讀入源程序作為源程序的一部分，所以凡是MPLAB中有關(guān)該單片機已有的寄存器在源程序中無需再用賦值指令(EQU)賦值，這就使所建立的源程序大為簡化。 

    此外，由于有了偽指令I(lǐng)NCLUDE，所以根據(jù)MPLAB軟件中的格式，在源程序中的操作數(shù)凡是涉及MPLAB已規(guī)定的寄存器名稱的，其字母一律只能大寫，不能小寫。其余操作碼、符號字母可任意大小寫，但0x中的x應小寫。否則匯編不會成功。鑒于上述原因，為了書寫方便，在使用MPLAB軟件時，PIC單片機的源程序均用大寫字母為宜(0x例外)。 

    3．2 振蕩器的配置以及時序的計算 
   

    PIC系列單片機可以工作于以下4種不同的振蕩器方式：LP(低功耗晶體振蕩器)、XT(晶體諧振器)、HS(高速晶體諧振器)和RC(阻容振蕩器)。用戶可以根據(jù)其系統(tǒng)設(shè)計的需要，通過對配置位(FOSC1和F0SC2)編程，選擇其中一種工作模式。 

    而一旦振蕩器配置完成，那么根據(jù)用戶的配置，可以輕松地計算出程序運行的時間以及A／D轉(zhuǎn)換所占用的時間，這樣就會很輕松地安排好單片機的時序。例如，如果采用4 MHz的HS振蕩模式，那么單片機的時鐘頻率為FOSC/4，也就是說執(zhí)行一條指令需要1μs；對于需要兩個指令周期的指令，需要2μs。而對于A／D轉(zhuǎn)換，如果A／D轉(zhuǎn)換時鐘位選擇為FOSC／8，那么A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換一個位的時間Tad就為2μs。對一個8位的轉(zhuǎn)換來說，需要的時間為9．5Tad，也就是完成一次A／D轉(zhuǎn)換的時間為19μs。這樣只需要查看源程序的行數(shù)并作簡要分析，就可以計算出程序運行的時間。 

    3.3 存儲體的選擇 
     

    PIC單片機的數(shù)據(jù)存儲器通常分為兩個存儲體，即存儲體O(Bank0)和存儲體1(Bankl)。每個存儲體都是由專用寄存器和通用寄存器兩部分組成的。兩個存儲體中的一氈寄存器單元實際上是同一個寄存器單元，卻又具有不同的地址。 

    不同型號的PIC單片機，其數(shù)據(jù)存儲器的組成(即功能)是不完全相同的，所以設(shè)計人員一旦選用了某個PIC單片機的型號后，就要查找該單片機的數(shù)據(jù)存儲器資料，以便編程使用。 

    筆者所采用的PICl6F716單片機的存儲區(qū)，是通過STATUS寄存器的RPl位和RP0位來選擇的。當配置為00時，表示選擇存儲區(qū)0；當配置為01時，表示選擇存儲區(qū)1。因為存儲區(qū)的改變只須改變RP0位，所以通常在程序編寫時，只改變RP0位來選擇存儲區(qū)。但是這樣容易造成程序的混亂，因此，筆者建議在每次更換存儲區(qū)時，要分別對RPO和RPl進行置位。在程序初始化時，最好將寄存器的初始化分為兩部分：第一部分為存儲區(qū)O；第二部分為存儲區(qū)1。然后將每個需要初始化的寄存器分別在對應的存儲區(qū)進行初始化即可。 

    3.4 GOTO和CALL指令的不同使用 
     

    在PIC的匯編程序中，CALL與GOT0指令使用的場臺不同。CALL是用來調(diào)用子程序的，在調(diào)用完子程序后返回到調(diào)用前的程序；而GOTO是無條件轉(zhuǎn)移，即由此狀態(tài)進入另外一個狀態(tài)而不需要返回。 

    為了使程序更加具有可讀性，使流程更加清晰、合理，通常程序都采用模塊化程序設(shè)計，即將程序按照功能分成不同的子程序，而主程序則相當簡潔，只須采用CALL指令對子程序進行調(diào)用。 

    由于PIC單片機的堆棧有限，在程序中不能無止境地使用GOTO指令，否則會使堆棧溢出，程序無法正常運行。但是在有些時候，例如當程序出現(xiàn)分支時，則不得不使用GOTO指令。對于PICl6F7x系列單片機，程序出現(xiàn)分支時只能通過STATUS寄存器的Z位或C位進行判斷。這時在兩種情況的前一種情況下，必須使用GOTO指令進行轉(zhuǎn)移；否則在執(zhí)行完第一種情況后，緊接著又執(zhí)行第二種情況。程序如下：

    BTFSS STATUS，Z
    GOTO A
    GOTO B 

    在跳轉(zhuǎn)到A時，必須使用GOTO指令；否則執(zhí)行完這條語句以后，緊接著執(zhí)行GOTO B。這樣無論Z為何值，程序都將跳轉(zhuǎn)到B。而對于GOT0 B，則可以不必使用GOTO指令。 

    在上面這種情況下，由于GOTO只在子程序內(nèi)部進行跳轉(zhuǎn)，小程序內(nèi)部循環(huán)占用堆棧的級數(shù)不多，因此使用GOTO指令是可行的。但是在大的程序中使用GOTO指令，將有可能無法返回到調(diào)用前的下一條指令。 

    因此，筆者建議，在使用匯編語言進行程序設(shè)計時，應該將程序分解成一級級的子程序；然后在程序之間進行調(diào)用，盡量將GOTO指令跳轉(zhuǎn)的范圍縮小。 

    3.5 對芯片的重復燒寫 
     

    對沒有硬件仿真器的設(shè)計者來說，總是選用帶有EPROM的芯片來調(diào)試程序，通過反復的修改來觀看運行結(jié)果，以便對程序進行調(diào)試。每更改一次程序．都是將原來的內(nèi)容先擦除，再編程，浪費了相當多的時間，又縮短了芯片的使用壽命。如果后一次編程較前一次，僅是對應的機器碼字節(jié)的相同位由1變?yōu)?，那么就可在前一次編程芯片上再次寫入數(shù)據(jù)，而不必擦除原片內(nèi)容。 

    在程序調(diào)試過程中，經(jīng)常遇到常數(shù)的調(diào)整。如果常數(shù)的改變能保證對應位由1變0，則都可在原片內(nèi)容的基礎(chǔ)上繼續(xù)編程。另外，由于指令NOP對應的機器碼為00，調(diào)試過程中指令的刪除，可先用NOP指令替代，編譯后也可在原片內(nèi)容上繼續(xù)編程。 

    結(jié)語 
     

    在采用PIC單片機進行設(shè)計過程中，注意到PIC單片機自身的特點，可盡量少走彎路，從而縮短開發(fā)周期。同樣在軟件設(shè)計上采用合適的方法，可以使整個程序運行穩(wěn)定，而且程序空間的使用也將有所減少，避免了調(diào)試中的Bug。以上只是筆者在實際設(shè)計過程中一些小小的體會。希望與大家一起探討，并在共同學習中為PIC單片機的普及和推廣做出貢獻。