PIC單片機的應用設計技巧

　　美國微芯公司(Microch{p Technology Inc．)開(kāi)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(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單易學(xué)、速度高、功能強、功耗低、價(jià)格低廉、體積小巧、適用性好及抗干擾能力強等特點(diǎn)，大量應用于汽車(chē)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，在國內越來(lái)越受到廣大設計者的歡迎，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。這樣電路結構很簡(jiǎn)單，開(kāi)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。筆者使用PICl6F716單片機設計了一個(gè)電動(dòng)機保護器，在設計過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，通過(guò)多方查找資料以及向Microchip公司技術(shù)人員尋求支持，問(wèn)題一一得到解決?，F將部分問(wèn)題記錄如下，與大家一起探討。

　　1 ICD2作為程序燒寫(xiě)的使用

　　1.1 ICD2簡(jiǎn)介

　　MPLAB ICD2在線(xiàn)調試器是一款低價(jià)位的PIC開(kāi)發(fā)工具。它利用Flash工藝芯片的程序區自讀寫(xiě)功能來(lái)實(shí)現仿真器調試功能；使用的軟件平臺是Microchip的MPLAB IDE(集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件包)，兼容Windows NT、Windows 2000和Windlows XP等操作系統。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的低壓調試。

　　MPLABICD2可以支持大部分Flash工藝的芯片。它不僅可以用作調試器，同時(shí)還可以作為開(kāi)發(fā)型的燒寫(xiě)器使用。

　　1．2 ICD2作為燒寫(xiě)器時(shí)的配置

　　燒寫(xiě)芯片的方式有兩種：普通燒寫(xiě)和在線(xiàn)燒寫(xiě)。在線(xiàn)燒寫(xiě)是適合大批量生產(chǎn)方式的燒寫(xiě)辦法。使用在線(xiàn)燒寫(xiě)時(shí)通常用戶(hù)都已經(jīng)把芯片焊到了板上，此時(shí)就要求用戶(hù)板上有預留的燒寫(xiě)接口。用戶(hù)板上的接口是通過(guò)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(gè)引腳，但只使用了其中的5個(gè)引腳，分別是VDD(電源)、VSS(地)、VPP(編程電壓)、PGC(同步時(shí)鐘)和PGD(數據)。

　　1．3 ICD2作為燒寫(xiě)器時(shí)容易出現的問(wèn)題及解決方法

　　盡管MPLAG ICD2與目標板的互連非常簡(jiǎn)單，但是一不小心就會(huì )出現問(wèn)題，基本上每一個(gè)PIC的入門(mén)者都會(huì )碰到類(lèi)似的問(wèn)題。下面就一些常見(jiàn)問(wèn)題作簡(jiǎn)要敘述。

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

　　對于PGC、PGD兩根線(xiàn)，由于在ICD2內部已經(jīng)進(jìn)行了上拉，所以在外圍設計中，不要冉進(jìn)行上拉，否則會(huì )造成分壓。對于PGC、PGD和VPP三根線(xiàn)，不要對地接電容．因為電容會(huì )阻礙在數據和時(shí)鐘線(xiàn)上電平的快速轉換，從而影響ICD2與目標板的連接。同樣對于PGC、PGD，由于數據或時(shí)鐘都是雙向傳輸的，這時(shí)如果在中間串一個(gè)二極管，則會(huì )影響ICD2與單片機的雙向通信。

　　但是，對PGC和PGD來(lái)說(shuō)，在單片機上同時(shí)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(xiě)時(shí)從芯片的PGC和PGD端口直接跳線(xiàn)到程序燒寫(xiě)口。

　　2 A／D轉換通道切換問(wèn)題

　　筆者所設計的電動(dòng)機保護器需要進(jìn)行很多A／D轉換，比如三相電流轉換、零序電流轉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轉換通道，因此附加了一個(gè)多位選擇開(kāi)關(guān)對一個(gè)A／D通道進(jìn)行復用。而在調試中發(fā)現這樣一個(gè)問(wèn)題，就是A／D轉換值不準確，甚至有點(diǎn)亂，但從程序流程以及代碼角度均查不出任何問(wèn)題。后查明PICl6F716單片機進(jìn)行A／D轉換通道切換時(shí)，需要一定的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間是毫秒級。解決辦法是：在通道問(wèn)切換時(shí)，當第一個(gè)通道轉換完成后，先轉到另一個(gè)通道；然后延時(shí)1ms左右，再進(jìn)行A／D轉換。而對同一個(gè)通道信號切換時(shí)，要在第一個(gè)信號轉換完成后，禁止信號輸入，延時(shí)1ms左右；然后輸人信號，再進(jìn)行A／D轉換。

　　這種做法比較麻煩，也很占用時(shí)間，并且從調試結果來(lái)看，問(wèn)題并沒(méi)有解決。在反復進(jìn)行調試中，最后得到的優(yōu)化解決辦法是：對于通道間轉換以及同一通道信號轉換，要對每一個(gè)信號至少進(jìn)行兩次A／D轉換；第一次的轉換結果，舍棄不予處理，只取第二次A／D轉換的結果。從調試結果來(lái)看，很好地解決了這一問(wèn)題。

　　3 軟件開(kāi)發(fā)小技巧

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

　　3.1 指令的大小寫(xiě)問(wèn)題

　　編寫(xiě)PIC單片機的源程序，除了源程序的開(kāi)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(xiě)規則，否則在PC機上匯編程序時(shí)不會(huì )成功。在源程序中都會(huì )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(wú)需再用賦值指令(EQU)賦值，這就使所建立的源程序大為簡(jiǎn)化。

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

　　3．2 振蕩器的配置以及時(shí)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(hù)可以根據其系統設計的需要，通過(guò)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，那么根據用戶(hù)的配置，可以輕松地計算出程序運行的時(shí)間以及A／D轉換所占用的時(shí)間，這樣就會(huì )很輕松地安排好單片機的時(shí)序。例如，如果采用4 MHz的HS振蕩模式，那么單片機的時(shí)鐘頻率為FOSC/4，也就是說(shuō)執行一條指令需要1μs；對于需要兩個(gè)指令周期的指令，需要2μs。而對于A(yíng)／D轉換，如果A／D轉換時(shí)鐘位選擇為FOSC／8，那么A／D轉換模塊轉換一個(gè)位的時(shí)間Tad就為2μs。對一個(gè)8位的轉換來(lái)說(shuō)，需要的時(shí)間為9．5Tad，也就是完成一次A／D轉換的時(shí)間為19μs。這樣只需要查看源程序的行數并作簡(jiǎn)要分析，就可以計算出程序運行的時(shí)間。

　　3.3 存儲體的選擇

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

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

　　筆者所采用的PICl6F716單片機的存儲區，是通過(guò)STATUS寄存器的RPl位和RP0位來(lái)選擇的。當配置為00時(shí)，表示選擇存儲區0；當配置為01時(shí)，表示選擇存儲區1。因為存儲區的改變只須改變RP0位，所以通常在程序編寫(xiě)時(shí)，只改變RP0位來(lái)選擇存儲區。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時(shí)，要分別對RPO和RPl進(jìn)行置位。在程序初始化時(shí)，最好將寄存器的初始化分為兩部分：第一部分為存儲區O；第二部分為存儲區1。然后將每個(gè)需要初始化的寄存器分別在對應的存儲區進(jìn)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(chǎng)臺不同。CALL是用來(lái)調用子程序的，在調用完子程序后返回到調用前的程序；而GOTO是無(wú)條件轉移，即由此狀態(tài)進(jìn)入另外一個(gè)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(jiǎn)潔，只須采用CALL指令對子程序進(jìn)行調用。

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

    BTFSS STATUS，Z
    GOTO A
    GOTO B

　　在跳轉到A時(shí)，必須使用GOTO指令；否則執行完這條語(yǔ)句以后，緊接著(zhù)執行GOTO B。這樣無(wú)論Z為何值，程序都將跳轉到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只在子程序內部進(jìn)行跳轉，小程序內部循環(huán)占用堆棧的級數不多，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(wú)法返回到調用前的下一條指令。

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

　　3.5 對芯片的重復燒寫(xiě)

　　對沒(méi)有硬件仿真器的設計者來(lái)說(shuō)，總是選用帶有EPROM的芯片來(lái)調試程序，通過(guò)反復的修改來(lái)觀(guān)看運行結果，以便對程序進(jìn)行調試。每更改一次程序．都是將原來(lái)的內容先擦除，再編程，浪費了相當多的時(shí)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的相同位由1變?yōu)?，那么就可在前一次編程芯片上再次寫(xiě)入數據，而不必擦除原片內容。

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

　　結語(yǔ)

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