PIC微控制器的設(shè)計(jì)竅門

       除了可在廣泛應(yīng)用的Microchip公司PIC微控制器芯片中擠出更多特性外，本文探討的諸如增加額外串口以及在8位芯片上進(jìn)行32位運(yùn)算等技巧，也可適用于其它微控制器。

 
 
   

       盡管Microchip公司不斷為其日益擴(kuò)大的PIC微控制器產(chǎn)品線增加更多功能，但有時設(shè)計(jì)工程師只需其中一小部分功能。也許設(shè)計(jì)工程師還需要目前尚不存在的一組特性，或者繼承了一種設(shè)計(jì)但不能升級，或者可能只想進(jìn)行試驗(yàn)并打破以往傳統(tǒng)限制。本文將介紹一些挖掘各種PIC產(chǎn)品極限的應(yīng)用方法，其中一些技巧也適用于其它微控制器，但這里只介紹用于PIC的源代碼與具體示例。本文還將分析一些方法，它們是關(guān)于如何增加另一個異步串口、更容易地處理精度擴(kuò)展(32位或更高)算法、增強(qiáng)并行從端口以及如何使用一些異步串口常被忽略的特性。

 

異步串口

 

       許多PIC都具有一個或兩個異步串口，但如果它們不夠用，那么位拆裂(Bit-banging)剩余I/O管腳是一種常用的解決方案，且適用于整個PIC系列。但這種方案是軟件密集型的，它在保持可靠通信所需的關(guān)鍵時序的同時，將難以進(jìn)行其它任何操作。另一種選擇方案是檢測起始位的上升沿，并采用定時器中斷來讀取數(shù)據(jù)。這種方法在位拆裂方法的基礎(chǔ)上有了很大改進(jìn)，但仍需要大量的軟件開銷以處理每一位的中斷，而面向任何中斷的延遲都可能導(dǎo)致同步問題。

    

       大多數(shù)PIC還提供一個串行外圍接口(SPI)。僅需很小開銷，普通的同步SPI就可被設(shè)計(jì)成能夠接收標(biāo)準(zhǔn)的異步傳輸。

 

       一個典型的異步數(shù)據(jù)流包括一個起始位(總為0)、8個數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)以及一個終止位(總為1)。圖1給出了一個接收ASCII碼字母“Q”(16進(jìn)制為51)的例子，也可采用更少的數(shù)據(jù)位或者增加一個奇偶校驗(yàn)位或額外的終止位。

 

       SPI端口也采用8位數(shù)據(jù)，但它同步在兩個不同管腳上發(fā)送和接收字節(jié)。數(shù)據(jù)時鐘可消除對起始位或終止位的需要，且最高有效位在前。圖2顯示由SPI端口發(fā)送的一些數(shù)據(jù)，SPI端口在每個時鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)，在上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

 

開始啟動

 

       一旦被接收，數(shù)據(jù)肯定被翻轉(zhuǎn)，但如果SPI時鐘的下降沿與每一個異步數(shù)據(jù)位的中心同步，那么數(shù)據(jù)也可能保持原樣。起始位的下降沿提供最初的同步記號，其它同步記號則利用PIC的一個SPI選項(xiàng)。這里有好幾種定時選項(xiàng)，包括使用定時器TMR2等。TMR2計(jì)數(shù)直到其值等于特殊函數(shù)寄存器PR2的值，然后TMR2觸發(fā)SPI時鐘并復(fù)位為0，接著再繼續(xù)計(jì)數(shù)。如果TMR2從大于PR2的值開始計(jì)數(shù)，則第一個時間間隔將比平常的時鐘周期要長，因?yàn)樗紫纫獜?fù)位到0(如圖3所示)。

 
 

    

       SPI端口接管產(chǎn)生同步記號的任務(wù)后，它將用所有的8個數(shù)據(jù)位進(jìn)行計(jì)時而無需其它開銷。但它會占用從起始位上升沿到TMR2與SPI端口正確初始化這段時間，從而導(dǎo)致中斷延遲，如果啟用優(yōu)先級更高的中斷，延遲時間將更長。不過不用擔(dān)心這種中斷延遲，因?yàn)镻IC還有另一個秘密武器。許多PIC都具有兩個或多個捕獲/比較/PWM模塊，I/O管腳可在下降沿上捕獲定時器的值，在起始位的上升沿則將TMR1值存儲在一個CCPRx特殊函數(shù)寄存器中，并產(chǎn)生一次中斷。中斷服務(wù)程序?qū)в蠺MR1-CCPRx-PR2值的TMR2初始化，以消除掉任何延遲。列表1給出的是一個典型的中斷程序。

 

       可選的“if(!CCP1)”行可確認(rèn)輸入管腳是否仍為低，以避免將瞬間毛刺讀成串行數(shù)據(jù)。由于-PR2(未標(biāo)出)必須大于PR2，所以應(yīng)仔細(xì)選擇TMR2的預(yù)定標(biāo)器的值，并使TMR1的預(yù)定標(biāo)器的值與之一樣。在上面例子中，dTim2PR2為52。最壞情況下的中斷延遲應(yīng)該小于串行數(shù)據(jù)速率，例如在9,600波特上，該值大約為104微秒或16MHz PIC上416條指令的執(zhí)行時間。SPI中斷正好能夠隱藏?cái)?shù)據(jù)并啟用下一個字節(jié)的CCP1中斷，但切記在某些時刻翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)位。

 

       盡管設(shè)計(jì)工程師通常不能控制輸入數(shù)據(jù)的到達(dá)時間，且兩個接收器必須時刻保持警惕，但設(shè)計(jì)者通常能交替使用兩個發(fā)送器。有很多方法可用來處理硬件路由，僅需少數(shù)幾個邏輯門或晶體管以及一個輸出位就可進(jìn)行這種選擇。圖4顯示采用一個含4個NAND門的74HC00的方法?？稍?amp;ldquo;串口1”上“選擇”高速發(fā)送，在“串口2”上“選擇”低速發(fā)送，這兩種路徑的“數(shù)據(jù)輸入”都來自TX管腳。

    

幀錯誤(FERR)標(biāo)記

 

       PIC異步串口的狀態(tài)位包括FERR標(biāo)記。FERR表示終止位為低而不是所要求的高，這表明發(fā)送方的波特率低于接收方的波特率，并且預(yù)期的終止位的確是一個數(shù)據(jù)位。也可用FERR來檢測RS-232的“中斷”條件。中斷通常包括一個低起始位、全0數(shù)據(jù)以及一個0終止位。如果FERR被設(shè)置且數(shù)據(jù)為0，則將有一次中斷，但一般需對輸入做較長時間的觀察，以確認(rèn)它保持為低。“中斷” 條件是一種向系統(tǒng)發(fā)送秘密“蝙蝠信號”并啟用特殊配置或測試模式的方法。有些終端能發(fā)送各種長度的中斷，或者設(shè)計(jì)工程師可將串口的RX輸入縮短為正電壓，其確切電平取決于硬件，但它可低到3V。如果是RS-232狀態(tài)輸出(如DTR)，則其有效電平為正，且將能提供接收器所需的電壓電平。

 

       TX9及TX9D是兩個經(jīng)常被忽略的特殊函數(shù)寄存器位，可對TX9設(shè)置進(jìn)行設(shè)置，使TX9D作為第9個數(shù)據(jù)位被發(fā)送。額外數(shù)據(jù)位的一種傳統(tǒng)用法是將其作為錯誤檢查的奇偶校驗(yàn)位。如果錯誤檢查對應(yīng)用很關(guān)鍵，那么只進(jìn)行簡單的奇偶校驗(yàn)還不夠，因?yàn)殄e誤檢查位可能出錯。

 

       曾經(jīng)有一種采用RS-485的系統(tǒng)通過電線在數(shù)百英尺的距離上進(jìn)行通信。該系統(tǒng)采用具有故障自恢復(fù)功能的RS-485芯片，即使電線是開路的，它也能保證有效輸出。電線開路在半雙工通信時經(jīng)常出現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)在同一對電線的兩個方向上傳輸，每次只有一邊能發(fā)送，而在間歇期間兩邊都在偵聽，這使電線上沒有驅(qū)動信號。該系統(tǒng)可靠工作了數(shù)年時間，直到客戶想采用其它外來的RS-485設(shè)備。

 

 

       這些外來設(shè)備沒有使用具有故障自恢復(fù)功能的器件，系統(tǒng)在PIC的TRMT狀態(tài)位表明所有的位都被發(fā)送后才釋放線路。TRMT不對終止位進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此PIC在另一端收到終止位之前釋放線路。這并沒有選擇修改硬件，而是將PIC配置成發(fā)送9個數(shù)據(jù)位，并使TX9D為高以發(fā)送在另一端看起來為終止位的一個額外數(shù)據(jù)位。這樣，這兩種系統(tǒng)從此都工作得很好。

 

       如果正在設(shè)計(jì)一種新系統(tǒng)，合適的終端將非常有用；并且如果硬件允許使用這種終端，則可在發(fā)送時使接收器有效。一旦偵聽到自己的發(fā)送，設(shè)計(jì)工程師就知道包括終止位在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)位都已安全地抵達(dá)另一端。

 

參數(shù)堆棧

 

       盡管多年以前人們?yōu)?位微處理器編寫了一些圖形函數(shù)，但設(shè)計(jì)工程師還需要32位定點(diǎn)運(yùn)算。由于存儲器有限，所以在進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算時，復(fù)用臨時存儲空間來存儲中間值是很有吸引力的。知道何時能安全地復(fù)用特定的臨時存儲位置將帶來更多復(fù)雜性。

 

       Forth語言采用參數(shù)堆棧與RPN。計(jì)算時，先從參數(shù)堆棧中彈出參數(shù)，然后再將計(jì)算結(jié)果推入?yún)?shù)堆棧。臨時存儲空間總是位于參數(shù)堆棧的頂部，當(dāng)從堆棧中彈出一個參數(shù)后，該臨時存儲空間被自動釋放并可再被使用。

 

       使用參數(shù)堆棧是處理復(fù)雜表達(dá)式及中間結(jié)果的一種便利方法，尤其是當(dāng)編譯器不支持最佳數(shù)據(jù)大小的時候。如果沒有參數(shù)堆棧，則“add”函數(shù)就可能會將兩個參數(shù)相加，然后再將結(jié)果返回至某一個地方；而有了參數(shù)堆棧，則算術(shù)函數(shù)不需要任何參數(shù)，也不用返回任何結(jié)果。Add() 函數(shù)可能會先從堆棧中彈出兩個數(shù)，將它們相加后再將結(jié)果推入堆棧中。數(shù)據(jù)可以是32位、24位或任何所需的位數(shù)，也不必考慮數(shù)據(jù)大小，除非需要在堆棧與其它位置之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。以這種方式使用參數(shù)堆棧，要求重新考慮數(shù)學(xué)運(yùn)算與函數(shù)，而RPN則提供一種簡單的解決方案。

    

代數(shù)表達(dá)式“5＋3” 可用RPN編碼成“5 3 ＋”，其程序代碼如下：


  Push(5);


  Push(3);


  Add();

 

代數(shù)表達(dá)式“(2*3)＋(4*7)” 可用RPN表示為“2 3 * 4 7 * ＋”，其程序代碼為：


  Push(2);


  Push(3);


  Multiply();


  Push(4);


  Push(7);


  Multiply();


  Add();

 

       如同Add() 函數(shù)一樣，Multiply()函數(shù)先從參數(shù)堆棧中彈出兩個參數(shù)，將它們相乘，然后再將結(jié)果推入堆棧中。

 

       除了支持通常的算術(shù)運(yùn)算，F(xiàn)orth語言還有幾種操作堆棧中的值的方法。Dup()函數(shù)復(fù)制推入棧頂(TOS)的最后值；Over() 函數(shù)復(fù)制棧頂以下的第二個值；Swap() 函數(shù)交換兩個棧頂值；Drop() 函數(shù)將值推入棧頂。Pick(n) 函數(shù)復(fù)制棧頂以下第N個值。圖6顯示Over() 函數(shù)如何將兩個值保持在棧上并對它們求和。

 
 

 

       當(dāng)將數(shù)字堆砌到堆棧上時，只需調(diào)用少數(shù)幾個函數(shù)即可進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，而無需參數(shù)或返回值。

 

       筆者用這些從Forth及RPN借用來的概念開發(fā)出一個精度擴(kuò)展數(shù)學(xué)庫。有了PIC，函數(shù)調(diào)用常常編譯為單個操作碼，可以從ftp://ftp.embedded.com/pub/2005/04rowe下載PicMath.c ，該版本適用于CCS PCM編譯器，其配置最小為：

 

1．將StackDataSize棧數(shù)據(jù)大小定義為以字節(jié)來表示的數(shù)據(jù)大小(例如32位為4個字節(jié)等)；


2．分配棧存儲空間并將MathPtr初始化為棧的最低地址；


3．MathCarry數(shù)據(jù)位存儲計(jì)算后的PIC進(jìn)位標(biāo)志；


4．MathDouble配置位在非零時可進(jìn)行雙精度乘、除操作。

 

PicMath還提供用于無棧運(yùn)算的函數(shù)，該函數(shù)利用指針指示源及目的參數(shù)，并用計(jì)算結(jié)果覆蓋目的參數(shù)。

 

并行從端口

 

       以往，快速數(shù)據(jù)傳輸總是以并行來進(jìn)行?，F(xiàn)在有了每秒數(shù)百萬位的串行數(shù)據(jù)速率，串行傳輸可能是一種更好選擇，但除各種串行端口外，很多較大的PIC還提供一個并行從端口(PSP)。當(dāng)在所有串行端口都用于其它事情后還需要另一個通信通道時，PSP可能相當(dāng)有用。雖有幾條用于片選及讀/寫8位數(shù)據(jù)的控制線，但沒有標(biāo)準(zhǔn)方法來知道數(shù)據(jù)何時能讀或者PIC是否已處理完寫入的最后值，等等。

 

       PIC在內(nèi)部擁有輸入緩沖器滿(IBF)及輸出緩沖器滿(OBF)狀態(tài)位。IBF表示有人對并行端口進(jìn)行寫操作，而OBF則表示PIC輸出的最后值仍在等待被讀取。圖7顯示這些過程是如何進(jìn)行的。

 

       盡管可以只用現(xiàn)有功能、某些固件以及非常嚴(yán)格的協(xié)議來進(jìn)行通信，但設(shè)計(jì)工程師可能還需要額外的握手線以再造內(nèi)部IBF和OBF狀態(tài)位的等效值。這通常至少需要一個額外的輸出管腳與一個額外的輸入管腳來監(jiān)視信號?？捎每烀}沖來指示發(fā)送方與接收方準(zhǔn)備就緒?？芍苯訉⒁粋€握手輸出連接至一個邊沿觸發(fā)中斷管腳。一些管腳可根據(jù)變化來產(chǎn)生一次中斷，但如果它是快脈沖，則讀該端口管腳將正好顯示當(dāng)前邏輯電平。

 

       電平激勵握手存在使兩邊失去同步的危險。發(fā)送方可能會看到接收方“READY”握手線，發(fā)送一個字節(jié)，并在接收方響應(yīng)前再檢查“READY”信號。而接收方可能會看到發(fā)送方的“READY”握手線，讀一個字節(jié)，并在發(fā)送方響應(yīng)前再檢查“READY”信號，并再一次讀同一數(shù)據(jù)。

 

       PLD或其它外部邏輯器件可產(chǎn)生模仿內(nèi)部IBF及OBF狀態(tài)位的外部握手信號。發(fā)送方的/WR信號可設(shè)置XIBF(外部IBF)，并可由接收方的輸出握手管腳來清除。發(fā)送方通過監(jiān)視XIBF來確定接收方何時準(zhǔn)備就緒。發(fā)送方的握手管腳可將XOBF(外部OBF)設(shè)置為數(shù)據(jù)已做好讀準(zhǔn)備的信號。接收方的/RD信號清除XOBF。發(fā)送方不需要監(jiān)視XOBF，因其內(nèi)部OBF會復(fù)制該信號并產(chǎn)生中斷。

 

       處理器能提供滿足所有需要的內(nèi)置硬件支持當(dāng)然最好，但如果不能，且設(shè)計(jì)不得不盡快完成，則上述技巧中的一項(xiàng)可能就夠用。這些技巧可用于各種處理器，包括16Cxx、16Fxx及18Fxx PIC等。只要了解其潛在優(yōu)勢與局限，它們就能成為您工具箱中的有用選項(xiàng)。