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09.04.2009
13:50 Uhr
Seite 1
FRANZIS
4318-6 U1+U4
FRANZIS
PC & ELEKTRONIK
FRANZIS
PC & ELEKTRONIK
Michael Hofmann
Mikrocontroller
Mikrocontroller
für Einsteiger
Das Buch bietet eine Einführung in die Programmierung von
Mikrocontrollern und gibt viele Tipps, wie die entsprechende
Hardware aufgebaut werden muss. Da Mikrocontroller sehr
hardwarenah programmiert werden, finden Sie auf der beiliegenden CD die Layoutdaten für ein eigenes Entwicklungsboard, mit dem viele Standardprobleme aus der Praxis
untersucht werden können.
Nach der detaillierten Erklärung der Assemblerbefehle folgt eine
ausführliche Erläuterung der Einstellungen und Funktionen der
Entwicklungsumgebung MPLAB. Die Beispielprogramme beginnen
bei der Ansteuerung von LEDs und der Abfrage von Tastern. Im
Verlaufe des Buchs erfahren Sie, wie ein Display angesteuert wird,
analoge Signale ausgewertet sowie Daten in einem externen
EEPROM gespeichert und ausgelesen werden. Zum Abschluss
wird die Kommunikation mit einem PC erläutert und wie man mit
einer Infrarotfernbedienung die Ausgänge des Mikrocontrollers
schalten kann.
In diesem Buch finden Sie alle Antworten zu den häufigsten Fragen
rund um die Programmierung und Schaltungsentwicklung eines
Mikrocontrollers
Aus dem Inhalt:
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•
•
•
•
•
•
•
Überblick über Mikrocontroller
Die Programmierung mit MPLAB
Verarbeitung analoger Signale
Anzeige von Daten auf einem Display
Messungen von Spannung und Leistung
Datenübertragung über die serielle Schnittstelle
Datenübertragung über den I2C-Bus
und vieles mehr
Auf CD-ROM:
•
•
•
•
Beispielprogramme
Layoutdaten
Schaltpläne
Datenblätter
ISBN 978-3-7723-4318-6
Michael Hofmann
Mikrocontroller
für Einsteiger
Schaltungen entwerfen und Software programmieren
Auf CD-ROM:
Beispielprogramme
Layoutdaten
•
Schaltpläne
•
Datenblätter
•
•
Euro 39,95 [D]
Besuchen Sie uns im Internet www.franzis.de
Hofmann

5
Vorwort
Mikrocontroller sind in fast allen elektronischen Geräten zu finden. Dieses Buch zeigt,
dass die Verwendung und Programmierung eines Mikrocontrollers nicht schwer ist.
So manchem sträuben sich die Haare, wenn das Wort Assembler im Zusammenhang
mit der Programmierung fällt. Nach der Lektüre dieses Buchs werden Sie feststellen,
dass es nicht so kompliziert ist, wie Sie vielleicht vermutet haben.
Verschiedene Beispiele zeigen die Möglichkeiten eines Mikrocontrollers. Hierfür wird
der PIC16F876A von Microchip verwendet. Dieser Typ verfügt über verschiedene
Schnittstellen und Features und man kann damit eine große Bandbreite der Funktionalität vorstellen. Die Beispiele werden zeigen, wie Eingänge abgefragt und Ausgänge
geschaltet werden. Sie werden auch lernen, wie man ein Display ansteuert, um Text
und Daten anzuzeigen. Sie werden auch erfahren, wie man analoge Signale misst, diese in einem seriellen EEPROM speichert und anschließend über einen PC ausliest. Ein
weiteres Beispiel zeigt die Steuerung der Ausgänge mit einer Infrarotfernbedienung.
Ein Teil der Beispiele kann mit der Entwicklungsumgebung MPLAB simuliert werden.
Daher wird keine funktionsfähige Hardwareschaltung benötigt. Da aber jeder Mikrocontroller irgendwann einmal in einer Schaltung eingesetzt werden soll, wird ein kleines Entwicklungs-Board vorgestellt, mit dem alle Beispiele in einer realen Umgebung
getestet werden können. Um die Arbeit und die Fehlersuche für den Aufbau zu erleichtern, können Sie über meine Homepage (www.edmh.de) eine unbestückte Leiterplatte
erwerben. Falls Sie eigene Erweiterungen vornehmen wollen, finden Sie das Layout im
Eagle-Format auf der beiliegenden CD-ROM. Darauf finden Sie auch verschiedene
Unterlagen zum Ausdrucken, z. B. eine Befehlsübersicht und Registerbeschreibungen.
Für die Programmierung des Mikrocontrollers wird der ICD2 von Microchip verwendet. Auf der CD-ROM finden Sie aber auch eine sehr einfache Schaltung, mit der der
PIC über die serielle Schnittstelle programmiert werden kann.
Ich wünsche Ihnen viel Spaß und Erfolg bei der Mikrocontrollerprogrammierung. Für
Kritik, Lob und Verbesserungsvorschläge bin ich immer offen und freue mich daher
auch über eine Rückmeldung an meine E-Mail-Adresse [email protected]
Michael Hofmann
6
Inhalt
1 Überblick über die Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
Feature-Vergleich der Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau und Funktionsweise des PIC 16F876A . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Blockschaltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Flash-Programmspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Datenverarbeitung in der ALU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Statusregister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Adressierung des RAM oder des File-Registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufruf von Unterprogrammen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die indirekte Adressierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lesen und Schreiben vom internen EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
13
13
14
16
16
17
17
19
21
2 Die Assemblerbefehle des PIC16F876A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1
2.2
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
Befehlsübersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailierte Beschreibung der Assemblerbefehle. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zahlenformate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Logische Verknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schiebebefehle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arithmetische Befehle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sprungbefehle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sonstige Befehle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
26
28
31
37
41
44
53
3 Die Programmierung mit MPLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.5.4
3.6
3.7
3.7.1
3.7.2
Installation von MPLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anpassung des Projektverzeichnisses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anlegen eines Projekts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Arbeitsoberfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Menü View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hardware Stack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Watches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disassembly Listing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
EEPROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Breakpoints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Simulator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Asynchroner Stimulus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
57
58
61
65
66
66
67
67
68
69
69
70
Inhalt
3.7.3
3.7.4
3.8
3.9
3.10
3.11
Zyklischer Stimulus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sonstige Stimulus Tabs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Logicanalyser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
In-Circuit-Debugger ICD2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Programmieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Texteditor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
71
71
72
73
80
81
4 Die Programmierschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1
4.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
4.3.8
4.3.9
4.4
Programmierung mit dem ICD2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ablauf der Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Konfigurationsbits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Watchdog-Timer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Power-Up-Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Brown-Out Detect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Low Voltage Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data EE Read Protect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flash Program Write. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Code Protect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konfigurationsbits im Überblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
OTP-Typ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
84
85
86
87
87
88
88
88
89
89
90
90
5 Das Entwicklungs-Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1 Schaltungsbeschreibung der Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.1 Netzteil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.2 Programmierschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.3 Taktgenerierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.4 Analoge Spannungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.5 Taster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.6 Ausgangstreiber mit Leuchtdioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.7 Infrarotempfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.8 I²C-EEPROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.9 RS-232-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.10 Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.11 Stiftleiste für Erweiterungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2 Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.1 Eingebundene Dateien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.2 Konfigurationsbits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.3 Definitionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.4 Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.5 Makros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.6 Programmstart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.7 Initialisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8
Inhalt
6 Die Ein- und Ausgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1
6.2
6.3
6.4
Pinbelegung PIC16F876A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pinfunktionen im Überblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Digitale Ein- und Ausgänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beispielprogramm: LED-Muster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
104
107
111
7 Die Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.1 Der 8-Bit-Timer (Timer0). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.2 Der 16-Bit-Timer (Timer1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3 Das Timer2-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8 Verarbeitung analoger Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1 Die Analog-Digital-Wandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1.1 A/D-Wandlung nach der sukzessiven Approximation (Wägeverfahren).122
8.1.2 Übertragungsfunktion des A/D-Wandlers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.1.3 Berechnung des Spannungswerts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.1.4 Aufteilung des digitalisierten Werts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.2 Beispielprogramm: Voltmeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.3 Die 16-Bit-Addition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.4 Die 16-Bit-Subtraktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.5 Analyse des digitalisierten Werts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9 Anzeige von Daten auf einem Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.1 Der Displaycontroller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.1 Zeichensatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.2 Display Ansteuervarianten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Display-Initialisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 Die Hardwareschnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Unterprogramm für das Schreiben eines Kommandos . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Unterprogramm für das Schreiben eines Zeichens . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.3 Makro für die Initialisierung des Displays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 Beispielprogramm: Hello World. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
136
137
138
140
142
143
144
145
146
10 Anzeigen einer analogen Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.1
10.2
10.3
10.4
Berechnung der Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Unterprogramm AD_konvertieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umwandlung der Binärzahl in eine Dezimalzahl. . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Hauptprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
151
153
155
11 Messung des Widerstands und der Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.1 Die Strommessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.2 Die binäre Multiplikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Inhalt Inhalt
11.3
11.4
11.5
9
Die binäre Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Anzeige der berechneten Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Anzeige des berechneten Widerstands. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
12 Datenübertragung über die serielle Schnittstelle (RS-232) . . . . . . . 177
12.1
12.1.1
12.1.2
12.2
12.3
12.3.1
12.3.2
12.4
Die serielle Schnittstelle RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anschluss der seriellen Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Protokoll der RS-232-Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Software zur Datenübertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verwendung der USART-Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einstellen der Baudrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einstellung der Register TXSTA und RCSTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beispielprogramm: PC-Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
178
178
179
180
181
182
182
184
13 Datenübertragung über den I²C-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
13.1
13.2
13.3
13.3.1
13.3.2
Funktionsweise der I²C-Schnittstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ansteuerung eines EEPROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beispielprogramm: Messwertspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Unterprogramm Schreibe_EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Unterprogramm Lese_EEPROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
191
193
196
199
14 Schalten über eine Infrarot-Fernbedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
14.1
14.2
Das RC5-Protokoll. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Beispielprogramm: IR-Schalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
15 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
82
4 Die
Programmierschnittstelle
In den vorherigen Kapiteln wurden bereits einige Grundlagen für die Programmierung erklärt. In diesem Kapitel geht es nun darum, wie man den Mikrocontroller
mit dem Programmiergerät verbinden und wie die endgültige Schaltung beschaffen
sein muss, damit das geschriebene Programm in der fertigen Hardware funktioniert.
Um das Programm in den PIC zu laden, werden 3-4 Pins zur Verfügung gestellt.
Diese können bei Bedarf auch nach dem Programmieren für andere Zwecke als Einoder Ausgang verwendet werden. Es handelt sich dabei um folgende Pins:
●●
●●
●●
●●
PGC = Programming Clock = Takt für die Programmierdaten
PGD = Programming Data = Daten für die Programmierung
VPP = Programming Voltage = hohe Programmierspannung ca. 11 bis 13 V
PGM = Low-Voltage Programming Enable = Freigabe-Pin, damit der PIC ohne
die hohe Programmierspannung programmiert werden kann.
Neben diesen Pins werden noch weitere für die Versorgungsspannung (VDD und
VSS) benötigt. Falls der Mikrocontroller nicht in einer Schaltung, an der eine Betriebsspannung anliegt, angeschlossen ist, muss die Versorgungsspannung für die
Programmierung von dem Programmiergerät zur Verfügung gestellt werden.
4.1 Programmierung mit dem ICD2
Im Folgenden wird die Programmierung des PIC über die Pins PGC, PGD und VPP
mit dem ICD2 erklärt. Auf der CD-ROM findet man eine kurze Beschreibung, wie
man den Mikrocontroller mit der kleinen Selbstbauschaltung programmieren kann.
Die Selbstbauschaltung kostet mit allen Bauteilen weniger als 2 €. Leider kann man
mit dieser Schaltung nicht die Controller in der Schaltung debuggen und so die
Hardwareschnittstellen prüfen. Allerdings ist sie völlig ausreichend, wenn man z. B.
ein Lauflicht erfolgreich programmiert und simuliert hat und dann die Software
nur noch in den PIC laden möchte. Die Schaltung besteht nur aus einer Handvoll
einfacher Bauteile und ist in kurzer Zeit auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.
Beim Aufbau der Schaltung sollte man auf möglichst kurze Leitungen zum Mikrocontroller achten, da es hier sehr leicht zu Störungen kommen kann und dann der
Mikrocontroller fehlerhaft programmiert wird. Man muss sich im Klaren sein, dass
man von dieser einfachen Schaltung nicht den Funktionsumfang eines professio-
4.1 Programmierung mit dem ICD2
83
nellen Programmier- und Debug-Geräts verlangen kann. Möchte man sich tiefer
mit der Programmierung der unterschiedlichen Controllertypen auseinandersetzten, kann man Details der Bedienungsanleitung des ICD2 entnehmen. Falls man
Genaueres über die Programmierung des Flash-Speichers lernen möchte, sollte
man sich das Dokument FLASH Memory Programming Specification_PIC16F87XA
durchlesen.
Um Ärger beim Programmieren und Debuggen aus dem Weg zu gehen, sollte man
nach Möglichkeit die Pins PGC und PGD ausschließlich für Programmierzwecke
verwenden. Ist es aus irgendwelchen Gründen trotzdem erforderlich, diese Pins für
andere Zwecke zu benutzen, sollte man versuchen, weniger wichtige Features (z. B.
Warnung, wenn die Batteriespannung einen bestimmten Wert unterschreitet) oder
einfache passive Schaltungen (z. B. Taster) an diese Pins anzuschließen. Im schlimmsten Fall kann der Mikrocontroller in der Schaltung nicht debugged werden. Der Pin
PGM ist zwar nicht für die Programmierung erforderlich, man sollte aber auch hier
einige Punkte beachten. Über diesen Pin wird dem Mikrocontroller mitgeteilt, dass
das Programmieren mit geringer Spannung, also nicht mit 11 bis 13 V an VPP, erfolgt. Um den Baustein mit lediglich 5 V zu programmieren, muss zuerst das Konfigurationsbit Enable Low Voltage Programming gesetzt werden. Liegt dann ein HighPegel am Pin PGM an, kann der PIC auch ohne hohe Programmierspannung
beschrieben werden. Dies kann z. B. sinnvoll sein, wenn der Programmcode im fertigen Gerät vom Kunden aktualisiert werden soll. Der Kunde verfügt in der Regel
nicht über ein Programmiergerät, um einen Mikrocontroller zu programmieren.
Um sich keinen Ärger bei der Programmierung einzuhandeln, sollte man versuchen,
diesen Pin nur als Ausgang zu verwenden, der auf einen Eingang eines externen Bauteils geht. Zusätzlich kann man noch einen Pull-Down-Widerstand von ca. 10 kΩ
anschließen, damit der Pin erst auf High-Pegel gezogen wird, wenn dies auch gewollt
ist. Schließt man z. B. den Ausgang eines externen Schwellwertschalters an diesen Pin
an, kann man nie sicher sein, welcher Pegel zum Programmierzeitpunkt an diesem
Pin anliegt.
Über den Eingang MCLR/VPP wird die hohe Programmierspannung an den Mikrocontroller angelegt. Ist diese Spannung über 9 V, wird der internen Hardware mitgeteilt, dass der Flashspeicher programmiert werden soll. Nach dem Programmieren
wird dieser Pin als Reset-Pin verwendet. Wird der Pin also während des Betriebs auf
Low-Pegel gelegt, wird ein Reset ausgeführt und das Programm beginnt von vorn.
Um nun einen unbeabsichtigten Reset zu vermeiden, muss dieser Pin immer auf
High-Pegel liegen. Aber Vorsicht: Der Pin darf nicht direkt mit der Betriebsspannung VDD verbunden werden, da sonst auch die hohe Programmierspannung an
dem Spannungsversorgungspin anliegen würde und den Baustein zerstören könnte.
VPP muss daher über einen Widerstand mit VDD verbunden werden. Der Widerstand hat in der Regel einen Wert von 10 kΩ. Über einen Taster oder Jumper nach
Masse kann so ein kontrollierter Reset ausgeführt werden. Die vollständige Beschaltung für eine sichere Programmierung kann Abb. 4.1 entnommen werden.
84
4 Die Programmierschnittstelle
Abb. 4.1: Anschluss des ICD2 an den Mikrocontroller
4.2 Ablauf der Programmierung
Bei der Programmierung werden verschiedene Schritte durchlaufen. Um ein neues
Programm in den Flashspeicher des Mikrocontrollers zu schreiben, muss dieser zuvor
gelöscht sein. Nach dem Beschreiben möchte man auch sicher sein, dass die Daten
richtig im Programmspeicher stehen. Daher werden die geschriebenen Daten nochmals ausgelesen und mit den Daten auf dem PC verglichen.
Selbstverständlich kann man jeden Schritt einzeln ausführen und so die Daten in den
Mikrocontroller schreiben und prüfen. In der Regel läuft die Programmierung jedoch
automatisiert ab und die nötigen Schritte werden nacheinander ausgeführt. Damit
eine Datenübertragung vom PC in den PIC ermöglicht wird, muss zuerst der ICD2
von MPLAB initialisiert und eine Verbindung hergestellt werden. Nach dem Herstellen der Verbindung wird von MPLAB geprüft, ob der richtige Mikrocontroller angeschlossen ist. Wurde bei den Einstellungen ein falscher Typ ausgewählt, z. B. PIC16F876
statt PIC16F876A, wird an dieser Stelle eine Warnung ausgegeben. In den meisten
Fällen ist dies nicht schlimm und der PIC kann trotzdem programmiert werden. Es
kann aber in Einzelfällen zu Problemen bei der Programmausführung kommen. Bei
MPLAB findet man die nötigen Befehle für das Programmieren im Menü Programmer.
Mit den Befehlen können die folgenden Aktionen ausgeführt werden:
Erase Part: Bei diesem Befehl wird der interne Flash-Speicher des Mikrocontrollers
gelöscht. Im Speicher stehen nach dem Löschvorgang nur Einsen.
4.3 Die Konfigurationsbits
85
Blank Check: Um zu prüfen, ob das Löschen erfolgreich war, führt man danach einen
sogenannten Blank Check durch. Dabei wird der Inhalt des Flash-Speichers gelesen
und geprüft, ob an jeder Speicherstelle eine Eins steht. Ist dies nicht der Fall, befindet
sich noch ein altes Programm im Chip. Bei einer gestörten Übertragung, z. B. durch
ein zu langes Kabel vom Programmiergerät zur Schaltung, kann es vorkommen, dass
nicht alle Speicherzellen ordnungsgemäß gelöscht werden. Ist dies der Fall, sollte man
die Verbindung prüfen und den Vorgang wiederholen.
Program: Nachdem keine Daten mehr im Programmspeicher vorhanden sind, kann
man das Programm mit dem Befehl Program in den Flash-Speicher laden. Das Programm muss natürlich zuvor geladen und übersetzt werden. Bei der Programmierung
werden die Konfigurationsbits erst ganz zum Schluss in den PIC programmiert. Nach
der Programmierung wird automatisch die Überprüfung des Programmcodes und der
Konfigurationsbits gestartet.
Read: Mit dem Befehl Read wird der gesamte Speicherinhalt gelesen, sofern der Chip
nicht mit dem Konfigurationsbit Code Protect gegen Auslesen geschützt ist. Im Fall
eines leeren Mikrocontrollers wird aus jeder Programmspeicherzelle der Wert 0x3FFF
ausgelesen. Steht ein Programm im Speicher, sieht man den binär codierten Ausführungscode und die zurückgewandelten Assemblerbefehle (Disassembly). Das Ganze
ist natürlich ohne den Kommentar und die Variablennamen, die im Quellcode angegeben wurden. Um den Programmcode zu sehen, muss man eventuell das Fenster
über das Menü View und den Punkt Program Memory sichtbar schalten.
Verify: Um nicht jede Zeile einzeln mit dem programmierten Code zu vergleichen,
wählt man den Befehl Verify aus und lässt MPLAB die Daten automatisch vergleichen
und prüfen.
Nachdem der Programmspeicher erfolgreich beschrieben wurde, kann man die Betriebsspannung entfernen und wieder anlegen, ohne dass die Daten verloren gehen.
4.3 Die Konfigurationsbits
Auf das Register, in dem die Konfigurationsbits stehen, kann man nur während des
Programmierens zugreifen. Nachdem der Chip programmiert wurde, können diese
Bits nicht mehr verändert werden. Um eine Änderung an diesen Bits vorzunehmen,
muss zuerst der gesamte Chip gelöscht und anschließend mit geänderten Einstellungen neu programmiert werden. Dies ist auch sinnvoll, da man sonst nachträglich das
Bit für den Ausleseschutz zurücksetzten könnte, um so die Daten aus dem Speicher
auszulesen.
Die Konfigurationsbits können entweder direkt im Code gesetzt werden oder über das
Menü Configure im Untermenü Configuration Bits… . Es ist empfehlenswert, die Bits
im Code zu setzen. So vergisst man auch zu einem späteren Zeitpunkt nicht, den Aus-
86
4 Die Programmierschnittstelle
leseschutz zu aktivieren, und hat gleich die entsprechenden Einstellungen für eine Serienproduktion. Um die Konfigurationsbits im Code zu setzen, kann man die Voreinstellungen aus der .inc-Datei verwenden. Im folgenden Abschnitt sind die möglichen
Einstellungen aus der Include-Datei ebenfalls mit angegeben. Man erkennt sie durch
den Unterstrich vor dem Namen.
Das Register, in dem die Konfigurationsbits gesetzt werden, hat eine Breite von 14 Bits.
Um die Konfigurationsbits im Code zu setzen, benutzt man das Schlüsselwort __CONFIG. Nach diesem Wort werden die Konfigurationsbits durch ein & verknüpft aufgelistet.
Beispiel: __CONFIG _CP_OFF & _WDT_OFF & _BODEN_OFF & ...
4.3.1 Oszillator
Da der Mikrocontroller ohne Takt nicht arbeiten kann, hat man verschiedene Möglichkeiten, das Rechenwerk mit einem Takt zu versorgen. Bei der Auswahl hängt es von
den Anforderungen an die zeitliche Genauigkeit ab, welcher Oszillatortyp zu verwenden ist. Will man nur in Abhängigkeit von Eingangssignalen verschiedene Ausgänge
schalten, reicht ein einfacher RC-Oszillator oft aus (RC = Widerstand-KondensatorOszillator). Soll aber mit dem Mikrocontroller eine Stoppuhr für Geschwindigkeitsmessungen aufgebaut werden, sind die Anforderungen an die zeitliche Auflösung
deutlich höher und man sollte einen Quarzoszillator verwenden.
Man hat vier verschiedene Einstellmöglichkeiten:
RC:
LP:
XT:
HS:
Resistor/Capacitor (_RC_OSC)
Low-Power Crystal (_LP_OSC)
Crystal/Resonator (_XT_OSC)
High-Speed Crystal/Resonator (_HS_OSC)
Soll der Mikrocontroller mit einem Quarzresonator betrieben werden, verwendet man
für Taktfrequenzen unter 4 MHz den XT-Mode. In der Regel ist diese Taktfrequenz für
eine Vielzahl von Schaltungen ausreichend und man bekommt sehr günstige Quarze,
die eine ausreichende Genauigkeit liefern. Für schnellere Anwendungen, in denen
mehr Rechenleistung benötigt wird, stellt man für den Bereich zwischen 4 und 20 MHz
den Hochgeschwindigkeitsmodus (HS-Mode) ein. Für die Verwendung eines Quarzes
sind noch zwei zusätzliche Kondensatoren an den Pins OSC1 und OSC2 nötig. Bei
einem 4-MHz-Quarz sollten die Werte der Kondensatoren zwischen 15 und 68 pF liegen.
Der Modus LP wird für Quarze mit geringer Frequenz unter 500 kHz verwendet.
Durch die niedrige Taktfrequenz ist auch die Stromaufnahme des Mikrocontrollers
gering. Oft wird der Mikrocontroller in einen Schlafmodus versetzt und zyklisch aufgeweckt, um zu prüfen, ob neue Daten vorhanden sind. Der Prozessor benötigt im
4.3 Die Konfigurationsbits
87
Schlafzustand nicht die volle Rechenleistung und kann daher mit einem geringen Takt
arbeiten. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass interne Zähler nicht so schnell hochgezählt werden und man längere Zeiten mit kleineren Registern erreichen kann. In der
Regel wird für den Low-Power-Modus ein sogenannter Uhrenquarz mit einer Frequenz von 32,768 kHz verwendet. Der Frequenzwert sieht auf den ersten Blick ungewöhnlich aus. Teilt man diesen Wert aber 15-mal durch 2, erhält man einen Takt von
genau einer Sekunde – daher auch der Name Uhrenquarz.
Soll eine kostenoptimierte Schaltung aufgebaut werden, die keine hohen Anforderungen an die Oszillatorgenauigkeit stellt, kann ein externer RC-Oszillator verwendet
werden. Leider kann die Frequenz nicht exakt berechnet werden und schwankt in Abhängigkeit von der Betriebsspannung und der eingesetzten Bauteile. Bei einem Widerstand von 5 kΩ und einem Kondensator von 100 pF ergibt sich eine Taktfrequenz von
ca. 1,3 MHz bei 5 V Versorgungsspannung. Es gibt auch einige PIC-Mikrocontroller,
die einen internen RC-Oszillator besitzen. Dieser ist vom Hersteller abgeglichen und
kann ohne externe Bauteile verwendet werden. Bei diesen Mikrocontrollern gibt es ein
spezielles Register, in dem der Abgleichwert steht. Über dieses Register kann auch die
Taktfrequenz in gewissen Bereichen angepasst werden. Man muss allerdings darauf
achten, dass man dieses Register vor dem Löschen des Mikrocontrollers sichert und
nach der Programmierung wieder in den Mikrocontroller zurückschreibt, damit man
wieder mit dem abgeglichenen Oszillator arbeiten kann.
Der Mikrocontroller muss nicht zwingend mit einem eigenen Oszillator versorgt werden. Der Takt kann auch von einem externen Baustein eingespeist werden. Der Takt
wird dann an Pin OSC1 angelegt und Pin OSC2 bleibt offen.
4.3.2 Watchdog-Timer
Watchdog heißt übersetzt „Wachhund“ – und so verhält sich auch dieser Timer. Er
„hält Wache“ über den Mikrocontroller. Ist dieser Timer aktiviert, läuft ein Countdown im Hintergrund. Ist dieser Countdown abgelaufen, wird der Prozessor zurückgesetzt und das Programm beginnt von vorn. Dies will man im normalen Betrieb natürlich verhindern und muss daher den Timer wieder zurücksetzen und von vorn
starten lassen. Verfängt sich der Prozessor in einer unerwarteten Endlosschleife, wird
der Mikrocontroller automatisch zurückgesetzt, ohne dass der Benutzer eine ResetTaste drücken muss. Um den Watchdog-Timer zu aktivieren, setzt man das entsprechende Bit mit _WDT_ON. Deaktiviert wird der Timer durch _WDT_OFF.
4.3.3 Power-Up-Timer
Durch den Power-Up-Timer wird der Mikrocontroller nach dem Anlegen der Versorgungsspannung für die Dauer von 72 ms im Reset-Status gehalten. Der Prozessor beginnt demnach nicht sofort mit der Abarbeitung des Programms, sondern wartet noch
88
4 Die Programmierschnittstelle
eine kurze Zeit. Das ist sinnvoll, wenn die Betriebsspannung an den Chip angelegt
wird. Da an der Versorgungsspannung des Geräts oft recht große Kondensatoren anliegen, die erst vollständig geladen werden müssen, dauert es eine gewisse Zeit, bis die
volle Betriebsspannung erreicht ist. Um sicherzugehen, dass der Prozessor mit der vollen Betriebsspannung versorgt wird, schaltet man den Power-Up-Timer ein. Dadurch
ist auch sichergestellt, dass die richtige Referenzspannung für eine Analog-DigitalWandlung anliegt. Dauert der Anstieg der Versorgungsspannung auf die volle Betriebsspannung 1 ms, würden bei einem 4-MHz-Takt bereits ca. 1.000 Befehle bearbeitet werden. Daher sollte man bei Problemen am Anfang des Programms zuerst prüfen,
ob stabile Zustände am Mikrocontroller vorliegen und der Mikrocontroller nicht für
eine kurze Zeit außerhalb der Spezifikation betrieben wird. Will man den Power-UpTimer aktivieren, geht dies im Programmcode durch die Konstante _PWRTE_ON.
Über _PWRTE_OFF wird der Timer ausgeschaltet.
4.3.4 Brown-Out Detect
Während des normalen Betriebs sollte immer eine ausreichend hohe und konstante
Spannung an dem Mikrocontroller anliegen. Sollte die Versorgungsspannung durch
irgendwelche äußeren Einflüsse unter einen bestimmten Wert fallen, würde man den
Prozessor im nicht stabilen Bereich betreiben und es könnte zu Fehlern in der Bearbeitung der Befehle kommen. Dieses Ereignis kann z. B. durch einen kurzzeitigen Kurzschluss an einer nach außen geführten Schnittstelle hervorgerufen werden. Um solche
Ereignisse zu erkennen, verwendet man den Brown-Out Detect. Fällt die Betriebsspannung für eine intern festgelegte Zeit (ca. 100 µs) unter eine Schwelle (ca. 4 V), wird ein
Reset ausgelöst und das Programm beginnt nach einer Wartezeit von ca. 72 ms von
vorn. Aktiviert wird dieses Feature über _BODEN_ON, deaktiviert durch _BODEN_
OFF.
4.3.5 Low Voltage Program
Durch das Bit Low Voltage Program wird es dem Benutzer ermöglicht, den Mikrocontroller mit einer geringen Spannung in Höhe der Versorgungsspannung zu programmieren. Ist das Bit durch _LVP_ON aktiviert, hat der Pin RB3/PGM die Funktion
PGM. Das heißt: Wird jetzt ein High-Pegel am Pin PGM angelegt, kann der Mikrocontroller programmiert werden. Wird das Bit durch _LVP_OFF deaktiviert, verhält sich
Pin RB3 wie ein digitaler I/O-Pin und es muss zum Programmieren des Speichers die
hohe Spannung von ca. 12 V an den Pin MCLR angelegt werden.
4.3.6 Data EE Read Protect
Stehen Daten im internen EEPROM, die von anderen Benutzern nicht gelesen werden
sollen, setzt man das Bit 8 (CPD) im Konfigurationsregister auf 0. Dies kann über die
4.3 Die Konfigurationsbits
89
Konstante _CPD_ON im Quellcode geschehen. Ist die Codeprotektion aktiviert, können die Daten nicht mehr von außen gelesen werden und stehen nur noch dem internen Programm zur Verfügung. Auf diese Weise kann z. B. ein Passwort gegen unbefugtes Auslesen geschützt werden. Wünscht man den Ausleseschutz nicht, gibt man das
Lesen durch die Angabe von _CPD_OFF frei.
4.3.7 Flash Program Write
Der Flash-Speicher im PIC kann auch für das Speichern von Daten während der
Programmausführung verwendet werden. Auf der einen Seite kann dies eine elegante Lösung sein, den internen Speicher besser auszunutzen. Auf der anderen Seite birgt diese Möglichkeit aber auch die Gefahr, dass der Programmcode durch einen Fehler im Programm überschrieben werden kann und das Programm dadurch
nicht mehr ausführbar ist. Der Mikrocontroller müsste dann neu programmiert
werden. Um das Überschreiben des Programmcodes zu verhindern, wird der FlashSpeicher in vier Teile unterteilt, die durch die Konfigurationsbits vor dem unbeabsichtigten Überschreiben geschützt werden. Über die Bits WRT0 und WRT1 wird
der zu schützende Bereich festgelegt. Für den PIC16F876A gelten folgende Bereiche:
●● _WRT_OFF: Der Schreibschutz ist deaktiviert und der gesamte Speicherbereich
kann beschrieben werden.
●● _WRT_256: Der Adressbereich zwischen 0x0000 und 0x00FF ist vor dem Überschreiben geschützt. Der Speicher zwischen 0x0100 und 0x1FFF kann als Datenspeicher genutzt werden.
●● _WRT_1FOURTH: Das erste Viertel (0x0000 bis 0x07FF) kann nicht beschrieben
werden. Der Bereich zwischen 0x0800 und 0x1FFF kann über das Kontrollregister
EECON beschrieben werden.
●● _WRT_HALF: Nimmt das Programm die Hälfte des Speichers (0x0000 bis 0x0FFF)
in Anspruch, kann dieser über die Bits WRT1 = 0 und WRT0 = 0 geschützt werden.
Die obere Hälfte des Speichers (0x1000 bis 0x1FFF) kann dann noch für Daten
verwendet werden.
4.3.8 Code Protect
Hat man ein Gerät entwickelt, will man in der Regel die Software gegen unbefugtes
Auslesen schützen. Dafür setzt man das Bit Code Protection im Konfigurationsregister
auf 0. Jetzt kann der im Chip gespeicherte Programmcode nicht mehr ausgelesen werden und es wird verhindert, dass eine Kopie des Programms erstellt werden kann.
Sollen Änderungen am Code vorgenommen werden, muss der Originalcode bearbeitet und erneut in den Speicher geladen werden. Der Leseschutz wird im Quellcode
durch _CP_ALL aktiviert und über _CP_OFF deaktiviert.
90
4 Die Programmierschnittstelle
4.3.9 Konfigurationsbits im Überblick
Werden keine Konfigurationsbits im Quellcode angegeben oder wird eines vergessen,
steht im Konfigurationsregister an dieser Stelle eine 1 und die Schutzeigenschaften
sind dadurch ausgeschaltet. Der Schreib- und Leseschutz muss daher bei Bedarf explizit eingeschaltet werden.
●●
●●
●●
●●
●●
_RC_OSC / _HS_OSC / _XT_OSC / _LP_OSC: Auswahl des Oszillatortyps
_WDT_ON / _WDT_OFF: Aktivieren/Deaktivieren des Watchdogtimers
_PWRTE_ON / _PWRTE_OFF: Aktivieren/Deaktivieren des Power-Up-Timers
_BODEN_ON / _BODEN_OFF: Aktivieren/Deaktivieren des Brown-Out-Resets
_LVP_ON / _LVP_OFF: Aktivieren/Deaktivieren des Low-Voltage-Programiermodus
●● _CPD_ON / _CPD_OFF: Aktivieren/Deaktivieren des Leseschutzes des EEPROM
●● _WRT_OFF / _WRT_256 / _WRT_1FOURTH / _WRT_HALF: Auswahl des zu
schützenden Flash-Speicherbereichs
●● _CP_ALL / _CP_OFF: Aktivieren/Deaktivieren des Leseschutzes des Programmspeichers
Die beschriebenen Konstanten beziehen sich alle auf den PIC16F876A. Bei anderen
Typen weichen die Namen teilweise ab oder sind nicht vorhanden. Die vordefinierten
Konstanten können der Include-Datei des Mikrocontrollers entnommen werden.
4.4 OTP-Typ
Bei der bisherigen Beschreibung der Programmierung wurde immer davon ausgegangen, dass der Programmcode im internen Flash-Speicher des Mikrocontrollers gespeichert wird. Dieser Speicher ist aber im Vergleich zu einem Speicher, der nur einmal
programmiert werden kann, relativ teuer. Daher gibt es von vielen Mikrocontrollern
eine Variante mit einem Speicher, der nur ein einziges Mal beschrieben werden kann.
Soll dann ein anderes Programm verwendet werden, muss man den Baustein auslöten
und einen neuen mit dem aktuellen Programm einlöten. OTP bedeutet daher One
Time Programmable. Bei Microchip erkennt man die OTP-Typen durch ein „C“ im
Namen (z. B. PIC16C622A).
112
7 Die Timer
Ein wichtiger Bestandteil eines Mikrocontrollers sind die Timer. Timer sind getaktete
Zähler, die durch einen Takt hoch- oder heruntergezählt werden. Timer können für
die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden. So wird z. B. für den Watchdog ein
Timer benötigt oder man kann einen Timer für eine Warteschleife verwenden. Es können Zeiten zwischen zwei Impulsen bestimmt oder es können Impulse mit einer vorgegebenen Dauer ausgegeben werden. Jeder Timer verfügt über ein Register, in dem
ein Wert gespeichert wird, der dann aufwärts oder abwärts gezählt wird. Bei einem
Über- oder Unterlauf dieses Registers kann dann ein Interrupt ausgelöst werden. Einen Timer könnte man sich auch selbst programmieren, indem man ein beliebiges
Register mit einem Wert lädt und dann in einer Schleife so lange herunterzählt, bis der
Wert 0 ist. Dies ist eine einfache Methode, kurze Verzögerungszeiten in einem Programm zu implementieren. Bei dem folgenden Beispiel wird Pin RA2 für die Dauer
von ca. 100 µs auf einen High-Pegel gesetzt. Für den Fall, dass der Prozessor mit einem
Takt von 4 MHz versorgt wird, muss man in das Register COUNTER den dezimalen
Wert 32 laden. Das ist ungefähr 100/3, da der Befehl decfsz 1 Befehlszyklus (= 1 µs) und
der Befehl goto 2 Befehlszyklen (= 2 µs) benötigt.
Beispiel:
bsf PORTA, 2
movlw D‘32‘
movwf COUNTER
decfsz COUNTER, F
goto $-1
bcf PORTA, 2
;setze Pin RA2 auf High-Pegel
;lade das Register Counter mit 32
;verringere den Wert um 1
;zähle so lange herunter, bis der Wert 0 ist
;setze Pin RA2 auf Low-Pegel
Sehr kurze Verzögerungen von wenigen Mikrosekunden lassen sich sehr gut über
mehrere nop-Befehle realisieren. Ein nop benötigt für die Bearbeitung einen Befehlszyklus und entspricht bei einem 4-MHz-Takt einer Bearbeitungszeit von einer Mikrosekunde. Mit diesem Beispiel kann eine Zeitverzögerung bis ca. 765 µs (= 3 * 255) ohne
den Einsatz eines Timers problemlos verwirklicht werden. Wenn eine Zeit größer als
765 µs implementiert werden soll, müsste man auf diese Weise schon zwei Register
verwenden.
7.1 Der 8-Bit-Timer (Timer0)
Um längere Zeiten zu verwirklichen, ist es sinnvoll, einen Timer zu verwenden. Der
große Vorteil eines Timers ist, dass der Takt, mit dem das Timer-Register hoch- oder
7.1 Der 8-Bit-Timer (Timer0)
113
heruntergezählt wird, über einen vorgeschalteten Teiler (Prescaler) läuft. Das Register
wird nun nicht mehr im Rhythmus des Befehlstakts verändert, sondern mit einem
geringeren Takt. Das Teilerverhältnis kann je nach verwendetem Teiler zwischen 1:2
und 1:256 gewählt werden. Wird das Prescaler-Verhältnis auf 1:256 eingestellt und der
8-Bit-Timer mit dem hexadezimalen Wert 0xFF (255) geladen, entspricht dies bereits
einer Verzögerung von 65.280 µs = 65,280 ms. Im folgenden Beispiel wird der Timer0
für eine Zeitverzögerung von 10 ms verwendet.
Beispiel:
_BANK_1
movlw b‘11000111‘
movwf OPTION_REG
_BANK_0
movlw b‘00100000‘
movwf INTCON
bsf PORTA, 2
_BANK_2
movlw D‘217‘
movwf TMR0
_BANK_0
btfss INTCON, TMR0IF
goto $-1
bcf PORTA, 2
;umschalten auf Bank 1
;Prescaler 1:256 für Timer0
;umschalten auf Bank 0
;Interrupts ausschalten und TMR0-Flag
;zurücksetzen
;Pin RA2 auf High-Pegel setzen
;starten des Timers
;prüfen, ob der Timer übergelaufen ist
;Pin RA2 auf Low-Pegel setzen
Es wird zuerst im Register OPTION_REG der Vorteiler (Prescaler) auf den Wert 1:256
gesetzt und dem Timer0 zugeordnet. Man kann den Timer0 auch für den Watchdog
verwenden, allerdings ist eine gleichzeitige Verwendung als Timer im Programm und
als Watchdogtimer ausgeschlossen. Als Nächstes werden die Interrupts ausgeschaltet.
Das entsprechende Interruptflag wird trotzdem gesetzt, es wird aber nicht in die Interruptroutine gesprungen. Man muss dann in einer Schleife prüfen, wann das Flag
TMR0IF gesetzt wird. In diesem Fall ist das Register von 0xFF auf 0x00 zurückgesprungen. Vor dem Beschreiben des Timer-Registers wird noch Pin RA2 auf high gesetzt. Um den Timer mit der richtigen Zeit zu initialisieren, muss man den entsprechenden Wert in das Register TMR0 schreiben. Da der Timer0 bei jedem Takt
inkrementiert (hochgezählt) wird, muss der Wert nach Formel 7.1 berechnet werden:
fOSZ ⋅ t
Formel 7.1
4 ⋅ PS
Zählerwert für Timer0
Oszillatorfrequenz
Zeitverzögerung
Wert des Vorteilers (Prescale)
TMR0 = 256 TMR0:
fOSZ:
t:
PS:
Soll eine Zeitverzögerung von 10 ms erreicht werden, ergibt sich folgender Wert:
TMR0 = 256 -
4MHz ⋅ 10ms
= 16,94 ≈ 217
4 ⋅ 256
114
7 Die Timer
Dies ist der Wert, der auch im Beispielprogramm in das Register eingetragen wurde.
Nachdem der Wert nun im Register TMR0 steht, läuft der Timer und man wartet, bis
das Interruptflag TMR0IF gesetzt wurde. Danach wird Pin RA2 wieder auf Low-Pegel
zurückgesetzt und man hat einen High-Impuls mit einer Dauer von 10 ms generiert.
Da der Prescaler auf 1:256 gesetzt ist, ist die kleinste zeitliche Auflösung 256 µs, da man
nur ganze Werte in das Register TRM0 schreiben kann.
7.2 Der 16-Bit-Timer (Timer1)
Das Timer1-Modul verfügt über zwei 8-Bit-Register (TMR1L und TMR1H). Auch
dieser Timer zählt, wie der Timer0, aufwärts und löst einen Interrupt aus, wenn der
Registerwert von 0xFF in TMR1L und 0xFF in TMR1H auf den Wert 0x0000 springt.
Durch die beiden 8-Bit-Register (= 16 Bit) kann dieser Timer bis 65535 (= 0xFFFF)
zählen, bevor er überläuft. Allerdings kann der Wert für den Vorteiler nicht so hoch
eingestellt werden wie bei Timer0. Bei dem Timer1 ist ein maximaler Teilerfaktor von
1:8 möglich. Das bedeutet, dass bei einem 4-MHz-Takt eine maximale Zeitverzögerung von ca. 0,524 Sekunden möglich ist. Auch die zeitliche Auflösung ist mit 8 µs relativ genau. Das Timer1-Modul kann in zwei verschiedenen Betriebsarten betrieben
werden. Die erste Betriebsart ist die Verwendung als Timer, mit dem man Wartezeiten
generieren oder die Zeit zwischen zwei Ereignissen (z. B. zwei Impulsen) messen kann.
In der zweiten Betriebsart kann man die beiden Register als Counter verwenden und
so die externen Impulsen zählen. Haben diese Impulse eine definierte Dauer, ist es
auch möglich, eine Wartezeit über diesen externen Takt zu generieren. Der Inhalt der
Register wird bei jeder steigenden Flanke um 1 erhöht.
Das folgende Beispiel zeigt den Programmcode für die Programmierung eines Lauflichts.
Dazu werden die LEDs nacheinander für die Dauer von 0,4 Sekunden eingeschaltet.
Beispiel:
start
;Initialisierungen
_BANK_0
clrf PORTA
clrf PORTB
clrf PORTC
_BANK_1
movlw b’00000110’
movwf ADCON1
movlw b’11110011’
movwf TRISA
movlw b’11000000’
movwf TRISB
movlw b’11111111’
movwf TRISC
clrf INTCON
;Beginn des Programms
;lösche alle Ausgangsports
;alle Pins von Port A sind digitale Ein;oder Ausgänge
;setze RA3 und RA2 als Ausgang und den
;Rest als Eingang
;setze RB7 und RB6 als Eingang und den
;Rest als Ausgang
;alle Pins von Port C sind Eingänge
;Interrups ausschalten
7.2 Der 16-Bit-Timer (Timer1)
clrf PIE1
_BANK_0
clrf PIR1
main
;Beginn der Hauptschleife
;Programmcode
;LED 1 für 0,4 Sekunden einschalten
movlw 0x3C
;lade den Wert 15536=0x3CB0 in die
movwf TMR1H
;Timer1-Register
movlw 0xB0
movwf TMR1L
bsf LED_1
;LED 1 anschalten
movlw b‘00110001‘
;Prescale 1:8, Timer1 anschalten
movwf T1CON
btfss PIR1, TMR1IF
goto $-1
;wartet, bis der Timer überläuft
bcf LED_1
;LED 1 ausschalten
clrf PIR1
;Überlauf-Bit zurücksetzen
;LED 2 für 0,4 Sekunden einschalten
movlw 0x3C
;lade den Wert 15536=0x3CB0 in die
movwf TMR1H
;Timer1-Register
movlw 0xB0
movwf TMR1L
bsf LED_2
;LED 2 anschalten
movlw b‘00110001‘
;Prescale 1:8, Timer1 anschalten
movwf T1CON
btfss PIR1, TMR1IF
goto $-1
;wartet, bis der Timer überläuft
bcf LED_2
;LED 2 ausschalten
clrf PIR1
;Überlauf-Bit zurücksetzen
;LED 3 für 0,4 Sekunden einschalten
movlw 0x3C
;lade den Wert 15536=0x3CB0 in die
movwf TMR1H
;Timer1-Register
movlw 0xB0
movwf TMR1L
bsf LED_3
;LED 3 anschalten
movlw b‘00110001‘
;Prescale 1:8, Timer1 anschalten
movwf T1CON
btfss PIR1, TMR1IF
goto $-1
;wartet, bis der Timer überläuft
bcf LED_3
;LED 3 ausschalten
clrf PIR1
;Überlauf-Bit zurücksetzen
;LED 4 für 0,4 Sekunden einschalten
movlw 0x3C
;lade den Wert 15536=0x3CB0 in die
movwf TMR1H
;Timer1-Register
movlw 0xB0
movwf TMR1L
bsf LED_4
;LED 4 anschalten
movlw b‘00110001‘
;Prescale 1:8, Timer1 anschalten
movwf T1CON
btfss PIR1, TMR1IF
goto $-1
;wartet, bis der Timer überläuft
bcf LED_4
;LED 4 ausschalten
clrf PIR1
;Überlauf-Bit zurücksetzen
goto main
beiden
beiden
beiden
beiden
115
116
7 Die Timer
Am Anfang des Programms werden die Ein- und Ausgänge entsprechend der Pinbelegung des Entwicklungs-Boards festgelegt. Es werden auch die Interrupts ausgeschaltet,
damit bei einem Zählerüberlauf nicht in die Interruptroutine gesprungen wird. Das
Interrupt-Bit wird im Programmcode zyklisch abgefragt. Bei einem Oszillatortakt von
4 MHz muss der Wert 15536 in das Timer-Register (TMR1L und TMR1H) geladen
werden, um eine Zeitverzögerung von 0,4 Sekunden zu erreichen. Welche Werte in die
beiden Timer-Register geladen werden müssen, kann nach den Formeln 7.2, 7.3 und
7.4 berechnet werden.
= 65536 TMR
TMR1H =
fOSZ ⋅ t
4 ⋅ PS
TMR
256
Formel 7.3
TMR1L = TMR - TMR1H ⋅ 256
TMR:
fOSZ:
t:
PS:
TMR1H:
TMR1L:
Formel 7.2
Formel 7.4
Wert des 16-Bit-Timer-Registers
Oszillatorfrequenz
Zeitverzögerung
Wert des Vorteilers (Prescale)
Highbyte des 16-Bit-Timers
Lowbyte des 16-Bit-Timers
Für eine Zeitverzögerung von 0,4 Sekunden berechnen sich die Registerwerte wie folgt:
TMR = 65536 -
TMR1H =
4 MHz ⋅ 0,4 s
= 15536 = 0x3CB0
4 ⋅8
15536
= 60,6875 = 60 = 0x3C
256
TMR1L = 15536 - 60 ⋅ 256 = 176 = 0xB0
Bevor die nächste Leuchtdiode angeschaltet wird, muss auch in den Timer-Registern der
Wert für die Zeitverzögerung eingetragen werden, da das Register sonst von dem Wert 0
aufwärts zählen würde. Nachdem die LED gesetzt wurde und der Timer das Zählen gestartet hat, wird in einer Schleife geprüft, ob das Überlaufflag gesetzt wurde. Mit dem
Befehl goto $-1 springt der Programmzähler zu dem vorherigen Befehl. Das Zeichen $
steht für den aktuellen Programmzähler. Wurde ein Zählerüberlauf festgestellt, wird der
goto-Befehl übersprungen und die LED ausgeschaltet. Es muss ebenfalls das Überlaufflag von Timer1 zurückgesetzt werden, da sonst in der nächsten Schleife sofort wieder
ein Überlauf angezeigt würde, egal, welcher Zählerstand im Timer-Register ist.
Makro mit Timer1
Zeitverzögerungen werden häufig in Programmen benutzt. Daher ist es sinnvoll, sich
ein Makro zu programmieren, das eine Zeitverzögerung ermöglicht, deren Dauer über
7.2 Der 16-Bit-Timer (Timer1)
117
einen Parameter eingestellt werden kann. Im folgenden Beispiel wird ein Makro vorgestellt, mit dem man eine Zeitverzögerung zwischen 20 µs und 524 ms realisieren
kann. Die Berechnung der richtigen Registerwerte für TMR1L und TMR1H wird von
dem Makro übernommen.
Beispiel:
_DELAY_TMR1_US macro usek
variable timer_HL=0
variable timer_H=0
variable timer_L=0
if usek > d’524000’
error “MACRO: Wert für Makro _DELAY_TMR1_US zu groß!”
endif
if usek < d’20’
error “MACRO: Wert für Makro _DELAY_TMR1_US zu klein!”
endif
;Berechnung der Registerinhalte
timer_HL = d’65536’-(OSC_FREQ/d’1000000’*usek/d’4’/d’8’)
;Berechnung des Highbytes
timer_H = (timer_HL >> d’8’)
;Berechnung des Lowbytes
;Es wird 1 addiert, da das Makro aus mehreren Befehlen besteht
timer_L = (timer_HL & 0x00FF)+d’1’
bcf PIE1, TMR1IE
movlw timer_H
movwf TMR1H
movlw timer_L
movwf TMR1L
movlw b‘00110001‘
movwf T1CON
btfss PIR1, TMR1IF
goto $-d’1’
bcf PIR1, TMR1IF
endm
;Interrupt von Timer1 ausschalten
;lade das Highbyte in Register TMR1H
;lade das Lowbyte in Register TMR1L
;schaltet Timer1 an, Prescaler 1:8
;prüft das Überlaufflag
;Timer-Überlauf ist aufgetreten
;Überlauf-Bit zurücksetzen
Da das Makro den Timer1 mit einem Vorteiler von 1:8 verwendet, ist die maximale
Genauigkeit 1/8 des Befehlstakts. Am Anfang des Makros wird geprüft, ob die angegebenen Werte in einem Bereich liegen, der mit dem Timer1 realisiert werden kann. Ist
der angegebene Wert größer als 524.000 µs oder kleiner als 20 µs, wird beim Übersetzen eine Fehlermeldung ausgegeben. Anschließend werden die Inhalte für die Register
TMR1L und TMR1H berechnet. Die nachfolgenden Assemblerbefehle sind die gleichen wie im vorherigen Beispiel. Durch das Makro wird der Programmcode deutlich
vereinfacht und verständlicher. Auf diese Weise kann die Wartezeit sehr einfach verändert werden, ohne die Registerwerte von Hand zu berechnen. Leider funktioniert eine
118
7 Die Timer
Änderung der Wartezeit nicht während der Programmausführung, da das Makro vor
dem eigentlichen Übersetzungsvorgang interpretiert und bearbeitet wird. Ein Makro
ist nur ein Textersatz, der das Programmieren vereinfachen kann.
Mithilfe des Makros kann das vorherige Beispiel deutlich kürzer geschrieben werden,
obwohl der benötigte Programmspeicher genau gleich ist.
main
;LED 1 für 0,4
bsf LED_1
_DELAY_TMR1_US
bcf LED_1
;LED 2 für 0,4
bsf LED_2
_DELAY_TMR1_US
bcf LED_2
;LED 3 für 0,4
bsf LED_3
_DELAY_TMR1_US
bcf LED_3
;LED 4 für 0,4
bsf LED_4
_DELAY_TMR1_US
bcf LED_4
goto main
Sekunden einschalten
d‘400000‘
Sekunden einschalten
d‘400000‘
Sekunden einschalten
d‘400000‘
Sekunden einschalten
d‘400000‘
7.3 Das Timer2-Modul
Bei dem Timer2-Modul handelt es sich, wie bei Timer0, um einen 8-Bit-Timer. Allerdings verfügt Timer2 über einen Vorteiler (Prescaler) und einen Nachteiler (Postscaler). Mit dem Vorteiler kann der Befehlstakt um 1, 4, oder 16 geteilt werden. Danach
folgt ein 8-Bit-Register für die Zählung und im Anschluss folgt der Postscaler, der den
Takt nochmals um einen Faktor zwischen 1:1 und 1:16 teilt. Der Nachteiler kann mit
16 Schritten sehr fein eingestellt werden und es sind so auch Teilerverhältnisse von 1:3
oder 1:13 möglich. Das Timer2-Modul wird auch für die Erzeugung von pulsweitenmodulierten Signalen (PWM) mit dem CCP-Modul benötigt. Die Generierung des
Interrupts erfolgt nicht wie bei den anderen Timer-Modulen bei einem Überlauf des
Registers, sondern nach dem Vergleich von Register PR2 mit TMR2. Das Register PR2
ist ein sogenanntes Periodenregister, mit dem eine zeitliche Periode vorgegeben werden
kann. Der Wert in Register TMR2 wird so lange erhöht, bis der Wert dem Inhalt von
PR2 entspricht, und dann wieder auf 0 zurückgesetzt. Der Ausgang des Vergleichers ist
an den Postscaler-Eingang angeschlossen und wird dann nochmals um den eingestellten Faktor geteilt. Zur Verdeutlichung der Funktionalität kann man sich das Ablaufdiagramm in Abb. 7.1 ansehen.
7.3 Das Timer2-Modul
119
Abb. 7.1: Funktionsweise Timer2
Für die Berechnung einer Zeitverzögerung kann man Formel 7.5 verwenden. Aufgrund des 8-Bit-Registers und dem maximalen Teilerverhältnis von zweimal 1:16 ist
mit diesem Timer eine maximale Zeitverzögerung von .
PR2 =
PR2:
fOSZ:
t:
PRE:
POST:
fOSZ ⋅ t
-1 4 ⋅ PRE ⋅ POST
Formel 7.5
Periodenregister
Oszillatorfrequenz
Zeitverzögerung
Teilerverhältnis des Prescalers
Teilerverhältnis des Postscalers
Verwendet man einen 4-MHz-Quarz und möchte eine Zeitverzögerung von 1 ms
einstellen, sollte man den Wert für den Postscaler auf 1:10 setzen, da man so die
genauesten Ergebnisse erzielt. Der Prescaler kann dann auf den Wert 1:1 eingestellt
werden. Setzt man die Werte in Formel 7.5 ein, erhält man für PR2 folgenden Wert:
PR2 =
4MHz ⋅ 1ms
-1 = 99
4 ⋅ 1 ⋅ 10
120
7 Timer
Durch den Teilerfaktor 1:10 ergeben sich ganzzahlige Werte und es entstehen keine
Rundungsfehler. Im folgenden Beispiel wird die Zeitverzögerung von 1 ms mit dem
Timer2-Modul umgesetzt.
Beispiel:
_BANK_1
movlw d‘99‘
movwf PR2
_BANK_0
clrf TMR2
movlw b’01001100’
movwf T2CON
bsf PORTA, 2
btfss PIR1, TMR2IF
goto $-1
bcf PIR1, TMR2IF
bcf PORTA, 2
;umschalten auf Bank 1
;Periodenreg. PR2 mit dem Wert 99 laden
;umschalten auf Bank 0
;Prescaler 1:1, Postscaler 1:10, Timer2 An
;setze Pin RA2 auf high
;prüfe, wann der Interrupt ausgelöst wird
;Interruptflag zurücksetzen
;setze Pin RA2 auf low
15 Anhang
239
Sachverzeichnis
A
C
G
Acknowledge 198
Addition 130
addlw 42
addwf 41
AD-Wandler 121
ALU 13
Analog-Digital-Wandler 149
analoger Eingang 108
analoge Signale 121
andlw 32
andwf 31
Arbeitsoberfläche 61
Arbeitsumgebung 57
ASCII-Format 29
ASCII-Zeichensatz 30
Assembler 15
Assemblerbefehle 24
Auflösung 121
Ausgang 107
Ausleseschutz 89
call 45
Carry-Flag 16
CCP 118
clrf 35
clrw 35
clrwdt 53
Code Protection 89
comf 36
goto 44
B
Bänke 17
Bankumschaltung 17
Baudrate 182
bcf 36
Befehlstakt 24
Befehlsübersicht 25
Binärformat 28
Blockschaltbild 13
Breakpoint 68
bsf 37
btfsc 52
btfss 51
H
Hardware 91
Hexadezimalformat 29
I
D
Debugger 73
decf 44
decfsz 50
Dezimalformat 29
Digit-Carry-Flag 16
Disassembler 67
Display 96, 136
Display-Controller 137
Division 163
I²C 189
I²C-Bus 95
incf 43
incfsz 49
include 99
indirekte Adressierung 19
Infrarotempfänger 94
Initialisierung 102
Interrupt 47
Iorlw 33
iorwf 32
IR-Protokoll 203
E
EEPROM 21, 95, 191
Eingang 107
Entwicklungsboard 91
Entwicklungsumgebung 56
K
Kommentar 27
Kompilieren 15
Konfigurationsbits 77, 85,
90, 99
F
Fernbedienung 94, 203
File-Register 16
Flash-Speicher 15
L
Layout 91
Leistung 159
240
Sachverzeichnis
Leseschutz 89
Logicanalyser 72
Projekt 58
Prozessortakt 24
PWM 118
M
T
Terminalprogramm 181
Texteditor 81
Timer 112
TWI 189
Q
Makros 100, 116, 145
Maschinencode 15
Master 189
Mikrocontrollertyp 59
movf 40
movlw 39
movwf 40
MPLAB 56
Multiplikation 160
N
nop 53
O
Oktalformat 28
Oszillatortyp 86
OTP 90
P
Paritybit 179
Pinbelegung 104
Pinbezeichnungen 104
Pixel 136
Postscaler 118
Prescaler 113, 118
Programmiereinstellungen
78
Programmieren 80
Programmiergerät 74, 80
Programmierschnittstelle
82, 92
Programmierspannung 83
Quarz 86
U
R
Unterprogramme 17
USART 181
RAM-Speicher 15
RC5-Code 203
Rechenwerk 13, 16
Referenzspannung 109, 121
Reset 101
retfie 47
retlw 47
return 46
rlf 37
rrf 38
RS-232 96, 178
V
Versorgungsspannung 91
W
Watchdog 87
Watches 66
Widerstand 159
S
X
Schaltplan 91
serielle Schnittstelle 177
Simulation 69
Simulator 62
Slave 189
sleep 54
SPI-Mode 139
SPI-Schnittstelle 142
Stack 18
Statusregister 16
Steuerzeichen 186
Stiftleiste 98
Stimulus 69
sublw 43
Subtraktion 131
subwf 42
swapf 41
xorlw 34
xorwf 34
Z
Zahlenformate 28
Zeichensatz 137
Zero-Flag 16
09.04.2009
13:50 Uhr
Seite 1
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