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Laboratório de Hardware

Introdução ao Microcontrolador PIC

Prof. Sergio Ribeiro

Ciência da Computação

Laboratório de Arquitetura de Computadores

Microprocessadores

n Os microprocessadores são circuitos integrados compostos por diversas portas lógicas que realizam operações matemáticas e lógicas diversas. São destinados a uso geral, ou seja, simplesmente processar informações.

n Os sistemas microprocessados são compostos de dispositivos separados: microprocessador, memória, interface de entrada e saída (compostas por transistores, acopladores ópticos, etc).

n Mas por que não incluir todos estes dispositivos em um encapsulamento?

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Microcontroladoresn A união das memórias com os microprocessadores

possibilitou o advento dos microcontroladores.n Estes circuitos integrados são compostos por pelo menos

uma unidade de processamento, uma unidade lógico-aritmética, um banco de memória de programa e um banco de memória de dados.

n Além disto, os microcontroladores devem possuir uma interface com o ambiente externo, ou seja, entradas e saídas para que o desenvolvedor de hardware possa realizar operações diversas, como por exemplo, ligar um relé, um transistor, acender um LED, etc.

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Microcontroladoresn Microcontroladores são dispositivos voltados a sistemas

embarcados e aplicações específicas, ao contrário dos μPs, destinados a PCs e aplicações de uso geral.

n Memórias de programa e de dados também são frequen-temente integradas ao chip, o que não ocorre nos μPs.

n Principais razões da integração das memórias aos μCs:n Redução do número de pinos do encapsulamento;n Redução dos custos com componentes externos;n Diminuição das dimensões da montagem;n Simplificação do circuito de aplicação;

n Porém, tal integração tem como desvantagem:n Limitação da complexidade do programa embarcado, devido ao

tamanho reduzido da memória nos μCs.4

Microcontroladores

n Visão geral da organização de um microcontrolador:

Laboratório de Arquitetura de Computadores 5


Aplicações Típicasn Tipicamente, μCs são usados no controle em:

n Periféricos de informátican Eletrônicos de consumon Sistemas de supervisãon Instrumentaçãon Automaçãon Robótica

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Marcas de Microcontroladoresn Algumas marcas e modelos:

n ATMEL: ATMEGA, AT91, AT90;n INTEL: MCS51 ou 8051 (vários fabricantes fabricam este modelo,

mas a Intel foi a primeira a produzi-lo, em 1977);n Microchip: PIC, DSPIC.n Freescale (Motorola): 68HC, MPC.n Texas Instruments: MSP430, TMS370

Microchip

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Os Microcontroladores PICn Os PIC, ou PICmicro, são microcontroladores da

Microchip Technologies.n Seu nome é uma sigla para “Programmable Interface

Controller” e origina-se no início dos anos 80, quando foi concebido para operar como interface controladora de periféricos para a CPU CP1600 da General Instruments.

n São mais de 570 uCs divididos em 3 grandes grupos:n 8 bitsn 16 bitsn 32 bits

n Núcleo composto por uma máquina RISC:n As versões mais simples tem apenas 33 instruções.n Memória segue a arquitetura de Havard.


Os Microcontroladores PIC

Família de Microcontroladores PIC:


Os Microcontroladores PIC

Os Microcontroladores PIC de 8 bits

n São mais de 300 uCs, reunindo desde os mais simples e pequenos (6 pinos) a dispositivos de alta gama, com maior poder de processamento, periféricos e interfaces, chegando a 100 pinos.

n Dividem-se em 4 categorias, de acordo com a complexidade da aplicação a que se destinam:n Baselinen Mid-Rangen Enhanced Mid-Rangen PIC18


Os Microcontroladores PICPIC 8-bits: Memória de Programa vs N° de Pinos


O PIC 18F4550


n Microcontrolador “Mid-Range” de 8 bits, com 40 pinos.n Reúne os principais pontos de interesse no estudo da

arquitetura de sistemas digitais.n É o microcontrolador inserido no Kit XM118 da Exsto

presente no Laboratório de Hardware da Facape, e que será adotado nas aplicações práticas do laboratório.

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Principais Características do PIC18F4550

n Memória FLASH de programa: 32 Kbytes.n Memória SRAM para armazenamento de dados: 2 Kbytes.n Memória EEPROM de dados: 256 bytes.n Pinos configuráveis como entradas ou saídas digitais: 35.n Pinos configuráveis como canais de entrada analógica: 13.n Módulo CCP (Capture / Compare / PWM)

n Capture Þ Permite a medição do tempo de duração de um evento.n Comparação Þ compara valores entre os registros do TMR1 e

CCPR.n PWM (Pulse Width Modulation) Þ gera sinais de frequência e

variáveis.

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Principais Características do PIC18F4550

n Porta paralela: de 8 bits (SPP – Streaming Parallelal Port).n Temporizadores de 8 e 16 bits: 4.n Watchdog Timer: sim.n Frequência de operação: de até 48 MHz.n Múltiplas fontes de interrupção: até 20.n Comparadores: 2.n Periféricos avançados de comunicação: Porta de

comunicação serial, Porta de comunicação USB 2.0.n Arquitetura Harvard: tecnologia RISC com um conjunto de

75 instruções de máquina.

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Pinagem do PIC18F4550

n Portas de entrada e saída (RA, RB, RC, RD e RE).

n Canais de entradas analógicas (AN).

n Pinos de alimentação (VDD e VSS).

n Pinos de entrada para o oscilador externo (OSC).

n Portas de comunicação serial (RX e TX).

n Porta de comunicação USB (D+ e D-).

** Os pinos podem ter mais de uma função.

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n Os 35 pinos de I/O configuráveis, estão agrupados em 5 grupos denominados PORTAS, sendo:n PORT A

n PORT B

n PORT C

n PORT D

n PORT E


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17

Dia

gra

ma

de

Blo

co

do

PIC

18

F4

55

0



n O laboratório de Hardware da Facape é equipado com kits educacionais da Exsto.

n O kit usado em Arquitetura de Computadores é o XM118 que possui o microcontrolador PIC18F4550.

n O hardware do Kit Educacional XM118 foi concebido para permitir a maior fexibilidade possível nas ligações.

n Os pinos com diversas funções foram ligados a chaves dipswitch, de forma a permitir a conexão com diferentes circuitos de aplicação.

n Para configurar corretamente o hardware para suas necessidades, verifique as funções das chaves no manual.

Kit Educacional

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n O kit educacional XM118 é equipado com duas fontes chaveadas independentes de +5VDC/3A e +12VDC/1A.

n As fontes de alimentação estão disponíveis para o usuário em conectores apropriados.

n Seu uso, contudo, deve respeitar a corrente máxima disponível.

Fonte de Alimentação

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PIC 18F4550n O kit foi baseado no PIC 18F4550.n Trata-se de um microcontrolador de 8 bits de alto

desempenho com uma série de periféricos.n Além do PIC 18F4550, outros microcontroladores de 40

pinos podem ser usados na placa do kit, desde que sejam compatíveis pino a pino. Ex: PIC 18F4520 e o PIC 16F877A.



n Imediatamente acima do protoboard, existem conectores que dão acesso direto aos pinos do microcontrolador.

n Quando usar um pino do microcontrolador para aplicações externas, desligue as chaves de configuração associadas ao pino em questão (se houver).

Conectores para Acesso de I/O

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n O kit XM118 é equipado com um gravador PICkit-2 que fica embutido dentro do gabinete do kit.

n O PICkit-2 está conectado ao XM118 e consequentemente ao microcontrolador nele instalado através da chave U8.

n Essa chave permite desconectar os pinos do PIC18F4550 do PICkit-2 quando necessário.

n O conector CON9 permite gravar outros componentes externos através do header (placa para gravação de componente) que acompanha o kit.

PICkit-2 e o Conector ICSP

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Configuração

n O microcontrolador tem um número limitado de pinos para poder interagir com todos os circuitos presentes no kit.

n Alguns circuitos estão simplesmente ligados em paralelo, como LEDs e LCD, teclado e chaves.

n Outros circuitos são selecionados através de chaves de configuração.

n A tabela a seguir apresenta algumas configurações possíveis, indicando o portal do microcontrolador, o sinal utilizado, sua função e direção.

n A tabela completa deve ser consultada no manual de operação do kit.

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Configuração



Teclado Matricialn Um teclado matricial está disponível no kit e opera por

varredura. Isto significa que, ao aplicar diferentes valores nas linhas, é possível identificar a tecla pressionada por meio do valor lido nas colunas.

n O teclado está ligado ao PIC conforme a tabela abaixo.n Obs: para o correto funcionamento do teclado, é necessário

ativar os resistores de pull-up internos do PIC por software.

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Chavesn Há oito chaves dip switch ligadas à porta B do PIC.n Essas chaves foram projetadas para ser baixo ativas, ou

seja, ao serem ligadas, elas aterram os pinos do PIC.n Estando aberto, o nível alto nas entradas do PIC é

garantido pelos resistores de pull-up internos.n Obs: para o correto funcio-

namento do teclado, énecessário ativar os resis-tores de pull-up internosdo microcontrolador porsoftware.

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n Existem cinco chaves pulsativas (push-buttons) ligados aos pinos do microcontrolador.

n Alguns desses pinos possuem funções especiais, como interrupções e contadores.

n Essas chaves também são baixo ativas.n A tabela abaixo mostra a ligação dessas

chaves ao PIC.

Push-Buttons



n O kit possui um display LCD alfanumérico de 2 linhas por 16 colunas.

n O ajuste de contraste desse LCD é feito pelo trimpot R42.n Mais informações sobre o uso do LCD na apostila do kit.

Display LCD

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n O kit XM118 possui 4 displays de sete segmentos.n Estes displays trabalham de forma multiplexada, isto é,

seus segmentos estão todos ligados em paralelo e os comuns dos displays são acionados por um processo de varredura (impressão de estarem simultaneamente ativos).

Display de 7 Segmentos

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n Na porta D do microcontrolador estão ligados 8 ledsconvencionais baixo ativos (acendem com nível lógico baixo).

n Há também 2 leds bicoloresligados a outros pinos domicrocontrolador (consultarmanual).


LEDs

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n Um buzzer piezelétrico permite a geração de sons no kit.n Para esse buzzer operar é necessário aplicar um sinal

variável na frequência que se deseja ouvir.n Ele não produzirá som algum se for simplesmente

alimentado.


Buzzer

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Relésn Quatro relés estão disponíveis para aplicações do

usuário.n É possível ter acesso aos terminais Com (comum), NA

(normalmente aberto) e NF (normalmente fechado).n Os relés tem capacidade de acionar cargas de até 10A,

com tensão máxima de até 250V.

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Outros Módulosn Outras partes do kit XM118 podem ser consultadas no

manual de operação, como:n Lâmpada DC

n Resistência para aquecimento

n Ventoinha

n Sensor de rotação

n Potenciômetro

n Sensor de temperatura

n Interface USART

n Interface USB

n Gerador de frequência, entre outros.

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n Como ferramentas para o desenvolvimento de aplicações para o PIC 18F4550 são usados o simulador Proteus, o ambiente de desenvolvimento MPLAB e um compilador C.

n O Proteus é um ótimo software de simulação de circuitos.n Usaremos o MPLAB como meio para gravar o PIC.n Há muitos compiladores C para microcontroladores PIC,

como: PCW, C18, MikroC, entre outros.n A Exsto, fabricante do kit XM118, adotou o compilador

C18 da Microchip.n Porém, verificou-se que este compilador gera o firmware

não muito otimizado (ocupa mais memória no PIC) e o aprendizado da linguagem C é um pouco mais demorado.


Ferramentas de Desenvolvimento

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Ferramentas de Desenvolvimento

n Por este motivo, o compilador C a ser usado no laboratório é o MikroC da Mikroeletrônica.

n O MikroC é um dos compiladores mais adotados para a programação de microcontroladores PIC.

n Isso se deve ao fato dele gerar um firmware menor, ocupando menos espaço de memória no PIC.

n E outra vantagem do MikroC é sua total compatibilidade com o C padrão ANSI e a facilidade de programar em sua linguagem C, com uma curva de aprendizado mais curta.

n Ao programar em C, recomenda-se consultar o datasheetdo PIC 18F4550, assim como o help do compilador.

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Compilador MikroC

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Exemplo de um programa Cn Segue abaixo um programa para fazer piscar o led

conectado ao pino D0 do PIC 18F4550 no kit.n Isso equivale a um “hello world” quando se está aprendendo

a programar em C.void main(){ // pisca o led a uma frequência de 1 Hz

TrisD = 0x00; // configura toda a porta D como saída

PortD = 0x00; // atribui nível baixo a todos os pinos em D

while(1){ // laço infinito

RD0_bit = 0; // nível baixo em D0 (apaga led)

delay_ms(500); // atraso de 500ms (0,5s)

RD0_bit = 1; // nível alto em D0 (acende led)

delay_ms(500);

}

}38


Exemplo de um programa C

n Programa equivalente ao anterior.

#define Led RD0_bit // macro Led associado ao pino D0

void main(){ // pisca o led a uma frequência de 1 Hz

TrisD = 0x00; // configura toda a porta D como saída

PortD = 0x00; // atribui nível baixo a todos os pinos em D

while(1){ // laço infinito

Led = ~Led; // inverte o nível lógico do pino D0

delay_ms(500); // atraso de 500ms (0,5s)

}

}

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