2015-PIC单片机原理及应用1PPT课件

PIC单片机原理及应用主讲：许辉邮箱：pic@xidian.edu.cn西安电子科技大学国家电工电子教学基地西电－MICROCHIP公司联合实验室（E楼II-406）《PIC单片机原理及应用》实验内容安排：全校任选课（☆）PIC单片机原理介绍（16学时※）基本功能及综合设计实验（16学时※）PIC单片机原理及应用第1章概述1.1单片机简介什么是单片机？ 单片机（singlechipmicrocontroller）是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前，在很多范围更广的应用场合中被称为微控制器（MCU-MicrocontrollerUnit）1.1单片机简介单片机、微控制器和微处理器有何区别?微处理器(MPU)通常代表一个功能强大的CPU,这种芯片往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。早期的微控制器是将一个计算机集成到一个芯片中,实现嵌入式应用,故称单片机(singlechipmicrocomputer)。随后,为了更好地满足控制领域的嵌入式应用,单片机中不断扩展一些满足控制 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的电路单元。目前,单片机已广泛称作微控制器(MCU)。数字信号处理器(DSPs)是专门设计用来极快地进行离散时间信号处理计算的,比如那些需要进行音频和视频通信的场合。DSPs内含乘加器,能比其它处理器更快地进行这类运算。什么是嵌入式系统?它和通用微机有何不同?嵌入式系统(embeddedsystem)是计算机硬件和软件的集合体。它包括一个处理器,涉及对硬件的直接控制,是为了嵌入到对象体系中完成某种特定的功能而设计的,是嵌入式计算机系统的简称。嵌入式系统可以是以微控制器(单片机)或是以微处理器为主构成的计算机系统。单片机(微控制器)是专门用作嵌入式应用而设计的单芯片型计算机，单片机(微控制器)是一个典型的普及型的嵌入式系统,通用计算机(通用微机)却不是用来完成某个特定功能的,相反,它可以做各种不同的事情。1.1单片机简介1.2单片机主要应用领域办公设备工业控制通信系统电子玩具金融电子仪器仪表汽车工业家用电器舰船设备航空航天1.3PIC单片机产品系列 PIC单片机是由MicrochipTechnologyInc.（美国微芯科技公司）推出的系列产品。1.4PIC单片机命名规则1、PIC单片机编号包括下列5个部分：2、器件类型和代号关系如：PIC16F877PICXXXXXXX-XXX/XXXXX器件类型振荡频率温度封装存储器编程方式代号类型CCMOSLC低功耗CMOSCRCMOSROMLCR低功耗CMOSROMLV低电压FFLASH程序存储器FRFLEXROM1.4PIC单片机命名规则3、振荡方式/频率和代号关系：4、温度与代号关系：代号振荡方式/频率LP低频低功耗晶体振荡RC低成本阻容振荡XT 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 晶体/陶瓷振荡HS高速晶体/陶瓷振荡022MHZ084MHZ2020MHZ2525MHZ3333MHZ代号温度空白0～70I-40～+85E-40～+1251.4PIC单片机命名规则5、程序存储器编程方式FLASH：可在线进行程序的反复擦写OTP：一次编程方式(一个产品周期后降低成本用，专用设备完成烧写，适合小批量非定型产品)QTP：快速批量编程SQTP：连续批量编程ICSP：电路内连续编程掩模ROM：一个产品周期后降低成本用，适合大批量定型产品，必须请制造商借助专用设备完成1.4PIC单片机命名规则dsPIC30/33F产品器件编号规则PIC单片机原理及应用第2章PIC单片机架构2.1内部架构CPU内核是器件运行所必需的基本部分。CPU数据存储器程序存储器DSP引擎中断系统集成可以降低系统成本提高系统可靠性提高设计灵活性。振荡器复位看门狗定时器和低功耗模式闪存和EEPROM编程器件配置低电压检测 外设功能是允许器件与外界交换信息。1.I/O端口 2.定时器 3.输入捕捉模块4.输出比较模块 5.正交编码器接口（QEI）6.10位AD转换器7.12位AD转换器 8.UART模块 9.SPITM模块10.I2CTM模块 11.CAN模块 12.数据转换器接口（DCI）模块 2.2CPU内核CPU内核（8/16/32位数据）采用改良的哈佛结构哈佛结构是一种并行体系结构，程序和数据存储在不同的存储空间中，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。从而提高CPU执行速度和数据的吞吐率。ALU能进行执行8/16/32位的加、减、单位移位和逻辑运算。除非特别指明，算术运算一般是以2进制补码形式进行的。由一个高速17位x17位乘法器、一个桶形移位寄存器和一个40位加法器/减法器组成。单周期可完成小数或整数DSP乘法、有符号或无符号DSP乘法、常规或收敛舍入在单指令迭代除法下支持16/16位有符号小数除法运算，以及32/16位、16/16位有符号和无符号整数除法运算寄存器是一种存储单元，通常由触发器组成。包括通用寄存器、专用寄存器、控制寄存器每个W工作寄存器可以充当数据、地址、地址偏移量寄存器数据存储器RAM（randomaccessmemory）又称作随机存储器数据存储器可读可写，用来存放数据变量、堆栈，掉电时数据会消失；8/16/32位的单片机，其内部数据存储器的数据宽度分别是8/16/32位。特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）是各功能部件对应的寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令，状态，数据每个单元已经定义过，用户不能自己定义数据存储器简介MCU操作时作为一个线性空间访问，数据从统一的空间进行读写,DSP操作时分为X和Y数据空间，乘运算的数据从两个空间读取用户可以自己定义以上两个空间统称为Near数据存储器。可通过所有文件寄存器指令中的13位绝对地址字段直接对Near数据存储器寻址。用于保存应用程序代码，同时还可以用于保存程序执行时用到的数据根据内部程序存储器类型的不同可分为ROM型、FLASHMemory型中断向量是中断源的识别标志，可用来形成相应的中断服务程序的入口地址或存放中断服务程序的首地址把所有的中断向量集中起来，按中断类型号从小到大的顺序存放到存储器的某一区域内，这个存放中断向量的存储区叫做中断向量表，即中断服务程序入口地址表程序存储器简介用于保存用户编写的应用程序代码，同时还可以用于保存程序执行时用到的数据EEPROM（带电可擦写可编程只读存储器），掉电后数据不会丢失程序计数器用于存放下一条指令所在单元的地址在程序开始执行前，CPU按照PC的指示从程序内存读取第一条指令（取指）。当执行指令时，CPU自动地修改PC的内容，即每执行一条指令PC增加2，2这个量等于指令所含的字节数（指令字节数），使PC总是指向下一条将要取指的指令地址。PC用于在程序存储器空间中对连续指令字寻址。PC以2为增量，LSb置为“0”，使之与数据空间寻址相兼容。2.3系统集成系统集成可以降低系统成本提高系统可靠性提高设计灵活性。复位振荡器看门狗定时器低功耗模式低电压检测系统集成RESET指令：只要何时执行了RESET指令，器件都会产生主复位信号SYSRST信号，从而将器件置于特殊复位状态1.复位模块主复位信号SYSRST信号引脚复位（MCLR）：只要MCLR引脚拉为低电平，输入脉冲比规定的最小宽度长，当引脚被释放产生高电平后，在下一个指令时钟周期将产生SYSRST信号并开始复位向量取指。1.复位模块WDTR看门狗定时器复位：只要何时发生看门狗超时，器件将异步产生SYSRST信号看门狗（WatchDogTimer）实际上是一个计数器，一般给看门狗一个大数，程序开始运行后看门狗开始倒计数。如果程序运行正常，过一段时间CPU应发出指令让看门狗复位，重新开始倒计数。如果看门狗减到0就认为程序没有正常工作，强制整个系统复位。1.复位模块上电复位：在检测到VDD电压上升时会产生内部上电复位脉冲。复位脉冲会产生10μs短时间的延时，以确保内部器件偏置电路稳定。1.复位模块BOR欠压复位：主要用途是在发生欠压条件时产生器件复位。欠压条件通常由AC电源上的干扰信号或接入大负载时过电流造成电压下降产生的。1.复位模块2.振荡器系统振荡器系统包含时钟源、时钟倍频器、可编程时钟后分频器、时钟监视器等模块。（1）振荡源带多时钟模式的主振荡器辅助振荡器（低功耗的32kHz晶振）FRC振荡器：快速内部RC（8MHz）LPRC振荡器：低功耗内部RC（512kHz）系统时钟源FOSC（2）PLL时钟倍频器：与XT或EC时钟模式的主振荡器配合工作输入频率范围为4MHz-10MHz4倍频增益模式（Fout=16MHz-40MHz）8倍频增益模式（Fout=32MHz-80MHz）16倍频增益模式（Fout=64MHz-120MHz）带有“失锁”陷阱选项的PLLVCO锁定提示（3）可编程时钟后分频器可编程时钟后分频器分频比为4、16和64系统时钟源FOSC系统时钟源FOSC系统时钟源四分频可产生内部指令周期时钟Fcy系统时钟源和指令执行之间的关系如下图：3.低压检测模块（LVD）LVD模块可应用于电池供电的应用场合。当电池消耗能量时，电池电压缓慢下降。电池的源阻抗也随着能量的损耗而不断增大。LVD模块检测到电池电压（即器件的VDD电压）低于阈值时，即认为是接近电池使用寿命的终点。这时应用程序自动关闭。LVD模块使用内部参考电压与供电电池电压进行比较。阈值电压VLVD可编程设置。4.低功耗模式有两种低功耗模式，可以通过执行PWRSAV指令进入：休眠模式：CPU、系统时钟源和任何依靠系统时钟源工作的外设都被禁止。这是器件的最低功耗模式。模式退出：中断源、器件复位。空闲模式：CPU被禁止，但是系统时钟源继续工作。外设继续工作，但可以有选择地禁止。模式退出：中断源、器件复位、WDT超时。WDT也可用于将器件从休眠或空闲模式唤醒。PIC单片机原理及应用第3章开发工具3.1开发工具快速入门芯片数据手册：可在www.microchip.com查找及下载，目前大多数新的芯片均有中文数据手册免费的集成编译调试环境MPLABIDE集成了工程管理、语法高亮显示的文本文件编辑器、汇编编译器、功能强大的软仿真调试器等，同时可外挂多种C编译器、硬件仿真调试器、烧写器等。3.主要的C语言编译器：目前MPLAB支持所列的所有C编译器的内嵌调试，单步，全速都没问题。不同的单片机系列必须使用不同的编译器，目前大多数编译器都有免费的试用版或限制版本下载。4.低成本下载器、在线调试器：PICKIT2：是廉价的产品，本身保护电路设计不完善，比较容易出问题。好处是可以支持脱机烧写和KEELOQ的片子烧写ICD2：现在市场上的都是国产授权的ICD2，价格中等，之前很多人采用，编程速度显的有点慢，连接上比较容易出现问题。PICKIT3是低端在线调试器，PICKIT2的升级版，可支持脱机编程，编程速度方面有提高，性价比比较好的调试器。ICD3算是中端的调试器，采用FPGA内核，支持软件断点多，编程速度快，而且本身的稳定性比较好，可以看作是一款简化版的REAL ICE。3.2MPLABIDE的使用方法安装MPLABIDE(集成开发环境)8.56 要求：系统用户账户名为英文, 安装文件夹路径中不能有中文 存放文件名必须为英文安装C30编译器MPLABC30V1.30MPLABC30V2.00Upgrade MPLABIDE软件环境使用分为下面几步骤进行：创建文件使用项目向导创建项目编译项目使用MPLABSIM软件模拟器进行调试使用PICkit3进行在线调试新建源文件：选择File>New打开一个新的空白的源文件。保存源文件MPLABIDE软件环境使用分为下面几步骤进行：创建文件使用项目向导新建项目编译项目使用MPLABSIM软件模拟器进行调试使用PICkit3进行在线调试选择Project>ProjectWizard来创建新项目。将出现一个欢迎页面。点击Next>继续。在“StepOne：SelectaDevice”中，通过下拉菜单选择dsPIC30F6014芯片，点击Next>继续。在“StepTwo：Selectalanguagetoolsuite”中，选择“MicrochipC30Toolsuite”在“StepThree：Nameyourproject”中，键入项目名MyProject并点击BROWSE进入MPLABC30安装 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 下的\examples文件夹。然后点击NEXT>继续在“StepFour：Addanyexistingfilestoyourproject”中，将添加两个文件到项目中。在Summary（摘要）窗口中重新检查“项目参数”，验证芯片、工具包和项目文件的位置是否正确设置编译选项现在已经可以用dsPIC30F工具来编译项目，但是，需要检查项目和工具编译选项。选择Project>BuildOptions并点击“Project”显示整个项目的BuildOptions（编译选项）对话框。MPLABIDE软件环境使用分为下面几步骤进行：创建文件使用项目向导创建项目编译项目使用MPLABSIM软件模拟器进行调试使用PICkit3进行在线调试选择Project>BuildAll对项目进行编译、汇编和链接。如果有任何错误或警告消息，会显示在输出窗口中。如果在项目编译后出现错误，可双击显示错误消息的行直接进入导致该错误的源代码行。如果您使用的是例子中的代码，那么最常见的错误就是拼写错误、漏掉了分号或大括号不匹配MPLABIDE软件环境使用分为下面几步骤进行：创建文件使用项目向导创建项目编译项目使用MPLABSIM软件模拟器进行调试使用PICkit3进行在线调试通过选择Debugger>SelectTool>MPLABSIM将MPLABSIM软件模拟器作为调试工具。设置断点：方法一：在源文件中，将光标移动到行上，然后通过鼠标右键选择“SetBreakpoint”设置断点。方法二：将光标移动到行上，双击设置断点。选择View>Watch打开Watch窗口。从AddSymbol旁边的下拉扩展菜单中选择counter，然后点击AddSymbol。点击工具栏中的RUN运行程序。 程序将在执行设置了断点的语句之前停下。源代码窗口左边空白处的绿色箭头指向下一个要执行的语句。Watch窗口中红色字体显示，表明变量的值发生了变化。MPLABIDE软件环境使用分为下面几步骤进行：创建文件使用项目向导创建项目编译项目使用MPLABSIM软件模拟器进行调试5.使用PICkit3进行在线调试Debug管脚选择拨动开关1,2on3,4offICD2/PICkit3在线调试器接口Kit3上的白色箭头对应白色线注意右边的一列跳线分别是：右，右，左，左，右（1）如图所示选择PICkit3在线调试器（2）出现下图，点击OK（3）选择debugger>settings(4)Settings中选择Power,如下进行勾选实验一、MPLAPIDE软件和在线调试器的使用一.实验目的（1）掌握MPLAPIDE集成开发环境的基本操作。（2）掌握软件模拟器的调试方法。（3）掌握在线调试器的使用方法。（4）学会查阅相关数据手册。二.实验仪器设备（1）MPLAPIDE开发软件一套；（2）ICD2或kit3在线调试器一套；（3）APP009实验板一套；三.实验任务（1）编写两数相加或泡泡排序程序练习MPLAPIDE集成开发环境的使用。(上）（2）调用函数库编写在屏幕上输出时间信息的程序，并用软件模拟器调试完成。（下）（3）通过在线调试器将ICD显示程序下载到APP009实验板。（下）PIC单片机原理及应用第4章MPLABC程序设计4.1MPLAB®C编译器MPLABC编译器是一个遵循ANSIC标准的C编译器，MPLABC编译器带有一个完整的ANSI标准函数库。这个函数库包括字符串处理、动态存储器分配、数据转换、计时和数学函数（三角、指数和双曲线函数）、文件处理的标准I/O函数。MPLABC30还包括针对dsPIC嵌入式控制应用的语言扩展。编译器使用代码优化技术将C源代码编译为高效而紧凑的代码软件开发工具数据流图4.2常用文件1.xxx.c:C源文件，用户编写，可有多个2.xxx.a:汇编源文件，用户编写，可有多个3.xxx.h:头文件，编译器提供，或用户编写。处理器头文件，如：#include<p30fxxxx.h>函数库头文件，参见数据手册《dsPIC语言工具库》如：#include<stdio.h>#include<timer.h>4.xxx.hex:烧写到单片机中被执行的文件5.编译过程中的其他文件：file.s汇编代码，编译器生成file.i不应预处理的源文件。file.o目标文件。file.p预过程抽象汇编语言文件。file.S必须预处理的汇编代码。与编译器有关的目录目录内容…\c30\pic30-tools\includeANSIC头文件目录，存放标准C函数的系统头文件…\c30\pic30-tools\hdsPIC器件的头文件目录，文件定义器件可用的特殊功能寄存器，但没有定义地址…\c30\pic30-tools\lib库文件目录，存放库文件和预编译目标文件…\c30\pic30-tools\gld链接描述文件目录，存放不同型号器件的链接描述文件，文件定义SFR地址…\c30\pic30-tools\bin可执行文件目录，存放编译程序4.3程序设计1.数据类型voiddelay(void){inti;for(i=0;i<2000;i++);}voiddelay(void){longinti;for(i=0;i<65000;i++);}2.常量、变量及其存储方式常量：程序运行过程中其值不改变的数据,不占用存储空间如：#definePI3.1415926#definecoef2*PI变量：程序运行过程中其值会改变的数据。一般情况下，不加限定时，存放于RAM数据存储器中， 如：inti,j;加限定时，被限定的变量将被分配到程序存储器,如：constunsignedk_data;。 3.数组inti,j,s=0,l,v[3]; //定义一维数组v[3];staticinta[5][3]={{80,75,92},{61,65,71},{59,63,70},{85,87,90},{76,77,85}};//定义二维数组a[5][3]，并赋值;for(i=0;i<3;i++){for(j=0;j<5;j++)s=s+a[j];V[i]=s/5;//给一维数组v[3]赋值;s=0;}l=(v[0]+v[1]+v[2])/3;//数组的使用4.运算符（1）算术运算符：+-*/（2）关系运算符：><>=<=；==测试等于!=测试不等于（3）逻辑运算符：（见C语言）（4）位运算符：～位取反；&位与；∣位或；<<左移；>>右移位赋值及读取：xxxxxxbits.Xxxxx=0/1寄存器名称位名称5.流程控制（1）条件语句：if…else…（2）开关语句：switch/case（3）循环语句：while;for6.函数（1）一个c程序由一个或多个程序模块组成，每一个程序模块作为一个源程序文件。对较大的程序，一般不把所有内容全放在一个文件中，而是将它们分别放在若干个源文件中，由若干个源程序文件组成一个c程序。这样便于分别编写和编译，调高调试效率。（2）一个源程序文件由一个或多个函数以及其他有关内容（如指令，数据声明与定义等）组成。（3）c程序的执行是从main函数开始的，若在main函数中调用其他函数，调用后流程返回main函数，在main函数中结束整个程序的进行（4）所有函数都是平行的，即定义函数时是分别进行的，是互相独立的。函数间可以互相调用，但不能调用main函数。main函数是被操作系统调用的。（5）从用户的角度来看函数分为两种 a：库函数，由系统提供，用户不必自己定义，可直接使用它们 b：用户自己定义的函数。它是以解决用户专门需求的函数。（6）从函数的形式来看，函数分为两类：  a：无参函数。无参函数可以带回或不带回函数值，但一般不带回函数值较多。 b：有参函数。在调用函数时，主调函数在调用被调函数时，通过参数向被调函数传递数据。一般情况下，执行调用函数时会得到一个函数值，供主调函数使用。例1：两数相加的简单C程序#include<p30f4011.h> /*这个头文件提供了该器件的所有特殊功能寄存 器的定义*/unsignedintAdd(unsignedinta,unsignedintb); //函数定义unsignedintx,y,z;//变量定义Intmain(void) //主程序{x=2;y=5;z=Add(x,y);return0;}unsignedintAdd(unsignedinta,unsignedintb) //函数调用{return(a+b);}例2：编译多个文件文件1/*add1.c*/#include<p30f4011.h>intmain(void);unsignedintAdd(unsignedinta,unsignedintb);unsignedintx,y,z;intmain(void){x=2;y=5;z=Add(x,y);return0;} 通过库管理器和链接器，可以将一个项目中的多个文件编译链接生成可执行文件文件2/*add2.c*/#include<p30f4011.h>unsignedintAdd(unsignedinta,unsignedintb){return(a+b);}例3：调用函数库#include<time.h>/*调用time.h中的clock函数获得时间*/#include<stdio.h>/*调用stdio.h中的printf函数进行输出*/volatileinti;intmain(void){clock_tstart,stop;intct;start=clock();for(i=0;i<10;i++)stop=clock();printf("start=%ld\n",start);printf("stop=%ld\n",stop);}7.宏的使用（1）配置位设置使用宏设置目标板配置位可在C源代码开头前插入代码，如：_FOSC(CSW_FSCM_ON&EC_PLL16); //使能外部时钟，PLL设置为16x。 //同时使能时钟切换和时钟失效保护监测。_FBORPOR(PBOR_ON&BORV_27&PWRT_ON_64&MCLR_DIS); //使能2.7V的欠压复位，上电延时定时器初始化为64ms， //将MCLR引脚配置为普通I/O口。每个配置位的设置列表，参见处理器头文件。（2）行内汇编使用如：#defineNop(){__asm__volatile("nop");}（3）数据存储器分配如：#define_NEAR__attribute__((near)) //将变量分配到near数据存储区中（4）中断服务程序声明下面的宏可用于声明中断服务程序（ISR）： #define_ISR__attribute__((interrupt)) #define_ISRFAST__attribute__((interrupt,shadow))如：声明timer0中断的中断服务程序： void_ISR_INT0Interrupt(void); 声明SPI1中断的快速现场保护中断服务程序： void_ISRFAST_SPI1Interrupt(void);例4：LCD显示#define__dsPIC30F4011__ #include <timer.h>#include <p30F4011.h>#include "APP009V2_LCD.h"#define FCY14745600 //OSC配置为 XT模式，PLL *8，XT=7.3728Mhz#define LED13 LATDbits.LATD0#define LED14 LATDbits.LATD1#define DIR_LED13 TRISDbits.TRISD0#define DIR_LED14 TRISDbits.TRISD1#define INPUT 1#define OUTPUT 0 Struct //结构的定义 { unsignedT3OV:1; unsigned:15; }Flags; _FOSC(CSW_FSCM_OFF&XT_PLL8);//使用XT的8倍频振荡器,时钟故障保护关_FWDT(WDT_OFF);//看门狗不使能 _FBORPOR(PBOR_OFF&MCLR_EN);//掉电复位不使能,MCLR复位使能_FGS(CODE_PROT_OFF);//代码保护不使能int main(void){ OpenLCD(); //4个用户自定义函数，在APP009V2_LCD.h putrsLCD(“hello”);//和APP009V2_LCD.C中声明 setcurLCD(0,1); putrsLCD(“thisisEII406");}实验一、MPLAPIDE软件和在线调试器的使用一.实验目的（1）掌握MPLAPIDE集成开发环境的基本操作。（2）掌握软件模拟器的调试方法。（3）掌握在线调试器的使用方法。（4）学会查阅相关数据手册。二.实验仪器设备（1）MPLAPIDE开发软件一套；（2）ICD2或kit3在线调试器一套；（3）APP009实验板一套；三.实验任务（1）编写两数相加或泡泡排序程序练习MPLAPIDE集成开发环境的使用。建议分成两个文件实现。(上）（2）通过KIT3调试器将LCD显示程序下载到APP009实验板。（下）（3）调用函数库编写在屏幕上输出时间信息的程序，并用软件模拟器调试完成。（下）(设置1:project>buildoption>project>MPLABLINK30>heapsize=1)(设置2:debugger>settings>UartIO>...)