PIC单片机各功能模块介绍

PIC16F616是一款14引脚、8位的CMOS单片机.采用精简指令集,仅有35条指令,由于采用了数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构,使得除少量指令不是单周期之外,大部分的指令都是单周期指令.这样有利于提高单片机的运行速度和执行效率.

PIC16F616这款单片机供电电压可以在2V到5.5V之间,内部集成了一个RC振荡器,频率可以配置成8MHZ或者4MHZ,也可以用外部晶振 提供时钟.内部集成有AD转换、比较器等硬件模块,还具有上电复位、欠压复位、看门狗、代码保护等功能.三个定时器、PWM发生器等可以由用户编程.下面 电工之家介绍关于PIC单片机的这些模块和功能.

1.存储器

PIC16F616分为程序存储其和数据存储器,程序存储器的大小是2048words,数据存储器的大小是128bytes.

程序存储器中0000H的地址为复位地址,当上电或者看门狗计时器等复位的时候,均会导致PC指针指向复位地址.地址0004H为中断地址,当无论发生什么中断的时候,PC指针就会指向此地址.在地址0005H~07FFH可以移植程序.

数据存储器分为两个部分,分别叫做bank0和bank1,其中bank0的地址范围为:00H-7FH,Bank1的地址范围为80H-FFH.一般的寄存器都放在里面.可以通过寄存器STATUSL里面的RP0位来选择bank0和bank1.

在编程序的时候要注意的是,当你要操作的寄存器在bank0的时候,先要选择bank0(将寄存器STATUS的RP0位置0),然后再对你所要操作的寄存器进行操作,当你要操作的寄存器在bank1的时候,同理先要选择bank1.

如果想要定义一些变量,可以在数据存储器20H开始的地址定义,定义的地址范围为20H-7FH.一般这么多就够用了.

2.PIC的输入输出端口

在学习这个部分的时候,曾经遇到过一些问题.PIC单片机的引脚不多,大多都是复用引脚,例如AD、IO、比较器、外接晶振等等,所以在配置端口的时候,一定要知道每个功能怎样设置才能实现的,在这一小节中,我要讲的是通用IO口的设置问题.

PIC16F616有12个IO口,但是有一个引脚(RA3)只能作为输入引脚用,不能用作输出,另外,A口具有电平变化中断的功能,而C口没有,在设计的时候要注意.

在设置的时候,一般要进行以下几项设置:

(1)设置端口是模拟端口还是数字端口,可以通过寄存器ANSEL来设置.例如你想用AD,就要将相应的引脚设置为模拟输入端口.

(2)如果你选择的是数字端口,接下来就要设置端口的方向,是输入还是输出(RA3除外),可通过寄存器TRISA(A口)或TRISC(C口)来设置.

(3)设置端口的输出电平,可以通过寄存器PORTA(A口)或PORTC(C口)来设置.

这是对IO口的通用设置,但是这不是全部的设置,接下来的设置要看时A口还是C口了.对于A口,它有几个特殊的功能:内部弱上拉、电平变化中断、RA2/INT引脚的沿中断.如果想要这些功能,就要对相应的寄存器进行设置.

弱上拉的设置:只有当引脚为输出的时候弱上拉才有效,可以通过寄存器WPUA来设置相应引脚的弱上拉,值得一提的如果开启了弱上拉,会有多余的电流浪 费,这样对于低功耗的设计是不可取的,但是如果在进行一些例如键盘电路设计的候,可以开启弱上拉功能,这样就不需要在键盘电路中加上拉电阻了.

电平变化中断的设置:可以通过寄存器IOCA来设置,但是首先要将相应引脚设置为数字端口且为输入状态.同时要将寄存器INTCON的REIE位设置 为1,总中断要允许(置寄存器INTCON的GIE位),如果设置相应引脚有这个功能,当此引脚电平发生的时候,就会产生一个中断,同时一些中断标志位被 置上(INTCON的RAIF位被置1),且总中断GIE被置为0.在中断服务程序中,要软件清除RAIF位和重新置GIE位才能继续开启此中断.

RA2/INT脚的沿中断设置:同样首先要将相应引脚设置为数字端口且为输入状态,设置INTCON的INTF位为1,表示允许int引脚外部中断, 寄存器OPTION_REG的INTEGD位可以设置是上升沿中断还是下降沿中断.当发生中断时,INTCON的INTF位被置为1,GIE被清零,在中 断服务程序中,要软件清除INTF位和重新置GIE位才能继续开启此中断.

对于C口,不能产生电平变化中断和沿中断.

3.定时器

定时器是单片机的一个很重要的部分,用它可以产生很多不同的定时时间,来满足程序设计的不同需求.PIC16F616有三个定时器,分别是Timer0、Timer1、Timer2.它们的用法不是很相同,下面来分别谈谈这三个定时器的用法和设置问题.

(1)Timer0

Timer0是一个八位的计数器,它有一个八位的计数寄存器TMR0,八位的预分频器(与看门狗共用),可以选择内部或者是外部时钟源,有计数器溢出中断的功能.

Timer0可以作为一个定时器或者计数器来使用,与Timer0有关的寄存器有:TMR0,INTCON,OPTION_REG,TRISA.

当Timer0作为定时器来使用的时候,要设置OPTION_REG的T0CS位为0,表示用的是内部时钟,每一个指令周期TMR0的值会增加(当没 有预分频的时候),当TMR0被赋值的时候,会有两个指令周期的延时.预分频器可以和看门狗共用,可以由OPTION_REG的PSA位来设置,当PSA 为0的时候分频器选择Timer0,当PSA为1的时候分频器选择看门狗.同时,与分频器的分频值可以通过寄存器OPTION_REG来设置,设置的值可 以由1:2到1:256.当Timer0的计数器TMR0计数从FFH到00H的时候会产生溢出,同时溢出标志位(INTCON寄存器的T0IF位)会置 位(无论Timer0的中断是否开启),如果中断已经开启了(INTCON寄存器的T0IE被置位),那么就会产生溢出中断.T0IF位需要软件对其进行 清零.

当Timer0作为计数器来使用的时候,就要用外部时钟源(OPTION_REG的T0CS置1),每次当引脚T0CK1的沿到来时Timer0的 TMR0会增加1,上升沿和下降沿可以由OPTION_REG的T0SE来设置.中断和Timer0作为定时器使用时一样.在我们编程序的时候,可以用 Timer0进行定时或产生定时信息,下面我来解释定时器的定时时间的计算.假设Timer0用的时钟源是内部的4MHZ,那么每条指令的执行时间就是 1us,设Timer0的预分频系数是1:256,TMR0的初值是6,那么定时时间为:

256×(256-6)×1us=64ms

在编程的时候需要注意的是Timer0的中断是不能把单片机从SLEEP的状态唤醒的

(2)Timer1

Timer1是一个十六位的计数器.它有一个计数寄存器对(TMR1H:TMR1L),时钟源也是内外可选的,具有一个2bit的预分频器,可以同步 或者异步操作,具有中断功能,但是溢出中断只能在外部时钟、异步的模式才能将单片机从SLEEP中唤醒,Timer1具有捕获/比较功能,还有被一些特殊 事件触发功能(ECCP),比较器的输出可以与Timer1的时钟同步.下面来一一介绍这些功能.

在编程的时候也可以按照这样的步骤来进行.设置寄存器T1CON,时钟源可以选择外部或者内部的时钟源,外部时钟源可以选择LP晶体.Timer1在 选择内部时钟时,可以运行在定时器的状态,选择外部时钟的时候,可以运行在定时器或者是计数器状态,工作于计数器状态时可以选择门限是高电平还是低电平计 数.这些都可以通过寄存器T1CON来设置.

以下是T1CON每个位的具体功能:bit1:Timer1是否开启位,当此位设为1时,Timer1开启,设为0时,Timer1关闭;bit2: 时钟源选择位,置1时,选择外部时钟(T1CK1引脚的上升沿),此位置0时,选择的是内部时钟,并且和T1ACS(寄存器CM2CON1中)配合,当 T1ACS位为0时,时钟为FOSC/4,当T1ACS位为1时,时钟为FOSC.bit2:T1SYNC:定时器1的外部时钟输入同步位,当 TMR1CS位为1、T1SYNC位为1,定时器1被设置成与外部时钟不同步,T1SYNC位为0时,定时器1被设置成与外部时钟同步模式.Bit3: T1OSCEN:此位为1时Timer1的时钟选择LP,为0时LP晶体被关闭.Bit5-4:T1CKPS:Timer1时钟的预分频系数设置,通过这 两位的是指,可以讲Timer1设置成1:1、1:2、1:4、1:8几种分频值.Bit6:TMR1GE:只有当TMR1ON位为1时才有效,当此位为 1时,Timer1计数被Timer1的门限控制,此位为0时,Timer1正常计数.Bit7:T1GINV:此位为1时,Timer1在门限为高时计 数,此位为0时,Timer1在门限为低时计数.

Timer1的中断编程:当Timer1的计数产生溢出的时候,如果Timer1中断允许的话,就会产生中断.中断可以这样设置,Timer1的中断 允许位TMR1IE(在PIE1寄存器中)置1,寄存器INTCON的PEIE位置1,同时总中断位GIE(位于寄存器INTCON中)要置为1.当定时 器产生中断的时候,会把中断标志T1IF置为1(位于寄存器PIR1中),然后PC指针指向0004H地址.T1IF位必须软件清除.

(3)Timer2

Timer2的功能于Timer1有些不同,Timer2时一个八位的计数器,有一个八位的计数寄存器TMR2,Timer2具有以下功能:有两个分 频器,一个是前分频器,一个是后分频器.分频可以软件进行设置,另外,Timer2的时钟源是指令时间(FOSC/4),Timer2有一个寄存器 PR2,此寄存器的功能是当TMR2增加到PR2的值时,将产生中断,当然,中断必须允许,然后PR2的值会重新变为00H.下面来介绍Timer2的编程:

Timer2的控制寄存器T2CON作用是设置Timer2的开启关闭和前后分频的分频系数,寄存器T2CON的TOUTPS<3:0> 位设置后分频系数,可以被设置成1:1~1:16;位TMR2ON为1时,Timer2开启,为0时,Timer2关闭;位T2CKPS<1: 0>可以设置前分频系数,可以被设置成1、4、16.

Timer2的中断可以这样控制,允许Timer2中断位TMR2IE(位于PIE1寄存器内)被置1时,Timer2中断被允许,被置0时, Timer2中断禁止.寄存器INTCON的PEIE位置1,同时总中断位GIE(位于寄存器INTCON中)置为1.通过上面的设置,Timer2就可 以产生中断了.当定时器产生中断的时候,会把中断标志T2IF置为1(位于寄存器PIR1中),然后PC指针指向0004H地址.中断标志位T2IF必须 软件清除.

下面是三个定时器的比较:

唤醒功能

其他功能

定时器Timer0

内部或外部时钟源,有一个预分频器.

定时器、

醒功能.

计数器值溢出时发生中断

预分频器与看门狗共用.

定时器Timer1

内部或外部时钟源,有一个预分频器

定时器、计数器

外部时钟、异步模式时可唤醒CPU

计数器值溢出时发生中断

与比较器模块、

捕获/比较模块共用

定时器Timer2

有前分频器和后分频器

醒功能.

计数器值与预置值相等时发生中断

PWM的产生需要此定时器

4.AD模块

PIC16F616有一个十位、八路的AD转换器.其参考电压可以为电源电压VDD,也可以是外部参考电压(VREF引脚),当AD转换完成后可以产生一个中断,此中断可以把单片机从睡眠状态中唤醒.下面来介绍一下关于AD转换的编程方法.

要使用一个ADC,要做的有一下几件事情:

(1)设置端口,需要采样模拟信号的端口必须设置为模拟输入状态,如果设置为数字端口,将使转换结果不正确,端口的模拟输入可以由寄存器ANSEL来配置,在讲RA口的时候已经说到了如何配置了.

(2)通道的选择,有八路外部通道和三路内部通道,可以通过ADCON0寄存器的CHS<3:0>位来设置通道的选择.

(3)参考电压的选择,参考电压可以是VDD,也可以是外部参考电压,可以通过ADCON0寄存器的VCFG位来设置,当VCFG=0时,参考电压为VDD,当VCFG=1时,参考电压为外部参考电压(来自VREF引脚)

(4)ADC的转换格式,AD转换后的结果保存在一个寄存器对里面:ADRESH和ADRESL,但是AD转换结果只有十位,设置AD转换格式可以通 过设置 ADCON0的ADFM位来选择,当ADFM=1时10位的AD结果的低八位保存在ADRESL内,高两位保存在ADRESH内;当ADFM=0时10位 的AD结果的高八位保存在ADRESH内,低两位保存在ADRESL内.

(5)AD时钟源的选择,寄存器ADCON1专门来设置AD的时钟源,Adcs<2:0>不同组合,可以将AD的时钟源设置为不同的频 率,可以为FOSC/2、FOSC/4、FOSC/8、FOSC/16、FOSC/32、FOSC/64和FRC(内部RC).

(6)AD中断的配置,要使用AD的中断功能,可以先把AD中断使能,ADIE位设置为1(在寄存器PIE1中),PEIE位置1(在INTCON寄存器中),总中断GIE位置1(INTCON寄存器中).

要开始一个AD转换,首先要使能ADC模块,即把寄存器ADCON0的ADON位置1即可,然后将GO/DONE位(ADCON0中)置1就可以启动AD转换了.

AD转换需要时间,转换1bit需要Tad的时间,Tad与AD转换的时钟源和VDD有关,转换十位就需要11个Tad时间,如果第一个AD转换完成 了,要进行第二个AD转换,必须还要等待2*Tad的时间才能开始.一个AD完成了,GO/DONE位会被置为0,如果中断允许的话,就会产生中断,且中 断标志位ADIF(寄存器PIR1内)会被置1,在AD中断程序中就可以把AD转换结果读取出来(读ADRESH和ADRESL),需要时把AD中断标志 位清零

AD中断可以把单片机从睡眠中唤醒,但是要注意,使用这个功能的时候,时钟源必须设置为FRC,否则的话在睡眠的时候就不会产生AD中断了.

5.看门狗

PIC16F616的看门狗WDT其定时计数的脉冲序列由片内独立的RC振荡器产生,所以它不需要外接任何器件就可以工作.而且这个片内RC振荡器与 引脚OSC1/CLKIN上的振荡电路无关,即使OSC1和OSC2上的时钟不工作,WDT照样可以监视定时.例如:当PIC16F616在执行 SLEEP指令后,芯片进入休眠状态,CPU不工作,主振荡器也停止工作,但是,WDT照样可监视定时.当WDT超时溢出后,可唤醒芯片继续正常的操作. 而在正常操作期间,WDT超时溢出将产生一个复位信号.如果不需要这种监视定时功能,在编程时,可关闭这个功能.

WDT的定时周期在不加分频器的情况下,其基本定时时间是18ms,这个定时时间还受温度、VDD和不同元器件的工艺参数等的影响.如果需要更长的定 时周期,还可以通过软件控制OPTION寄存器(PSA位置1)把预分频器配置给WDT,这个预分频器的最大分频比可达到1∶128.这样就可把定时周期 扩大128倍,即达到2.3秒.

WDT的预分频器是和Timer0所共用的,如果把预分频器配置给WDT,用CLRWDT和SLEEP指令可以同时对WDT和预分频器清零,从而防止 计时溢出引起芯片复位.所以在正常情况下,必须在每次计时溢出之前执行一条CLRWDT指令喂一次狗,以避免引起芯片复位.当系统受到严重干扰处于失控状 态时,就不可能在每次计时溢出之前执行一条CLRWDT指令,WDT就产生计时溢出,从而引起芯片复位,从失控状态又重新进入正常运行状态.

当WDT计时溢出时,还会同时清除状态寄存器中的D4位T0,检测T0位即可知道复位是否由于WDT计时溢出引起的.

6.比较器

PIC16F616有两个比较器:C1和C2,C1的结构比C2的结构要简单,下面我分别对这两个比较器的用法和特性作简要说明.

(4)比较器C1:它有一个独立的控制寄存器CM1CON0,通过这个寄存器可以对比较器C1进行一些设置.位C1ON可以控制C1的开启关闭,位 C1OE 可以决定比较器的输出是从引脚输出还是内部输出,位C1POL可以选择比较器输出的极性,位C1R选择参考电压是链接到引脚C1IN+还是连接到 C1VREF,C1CH可以选择比较器负端从哪一个引脚输入的,位C1OUT存放了比较器的输出结果.

(5)比较器C2:它的控制寄存器CM2CON0的操作跟C1一样,但是比较器C2比比较其C1功能要强,因为它与Timer1挂上钩了,C2可以连 接到 Timer1,而C1不能.当C2与Timer1相连接的时候,C2的输出可以设置成与Timer1的下降沿锁定,如果Timer1有分频,则比较器的输 出与分频后的Timer1下降沿锁定,可以通过相关寄存器来进行设置.

(6)两个比较还有其它的功能,都能组成滞回比较器,这样就可以对输入电压有一定的滤波功能.两个比较器还可以形成一个SR锁存器.

由于在本项目中没有选择用比较器这个功能,所以在这里就不详细叙述其细节设置,但要注意的是在不用此模块的时候,要能够保证此模块不能影响其他模块的正常工作,可以把比较器功能关闭(通过寄存器CM1CON0、CM2CON0的CxON位置0来关闭).

7.捕获/比较/PWM功能

PIC16F616具有捕获/比较/PWM的模块,下面来简单的介绍一下它们的功能.

这三个功能需要定时器的支持,捕获和比较功能需要定时器Timer1的支持,PWM功能需要定时器Timer2的支持.都有中断的功能,选择这三种功 能的某一种功能可以通过寄存器CCP1CON来设置.CCP1CON的低四位CCP1M<3:0>可以通过不同的组合来开启某项功能和关闭所 有功能,当CCP1M<3:0>=0000的时候,捕获/比较/PWM模块的所有功能被禁止.具体其他的不同组合实现的功能,请参考 PIC16F616的用户手册.

当选择捕获功能时,它可以捕获引脚CCP1发生的事件,同时把16位Timer1的计数值拷贝到CCPR1H:CCPR1L中来,引脚CCP1的发生 事件可以指的是下列事件:CCP1引脚的每个上升沿或者下降沿、第四个上升沿、第十六个上升沿.可以通过寄存器CCP1CON的低四位CCP1M< 3:0>来设置是哪一种事件.当事件发生的时候,单片机会置中断标志位CCP1IF(寄存器PIR1上),如果中断被允许(寄存器PEIE的位 CCP1IE=1)的话,就会产生中断,中断标志位CCP1IF需要软件清零.

选择比较功能时,如果定时器Timer1的计数器值与寄存器CCPR1H:CCPR1L相等的话,将产生下面的事件:把引脚CCP1置1/0、产生一 个中断、触发一个事件(把定时器Timer1的技术器TMR1清零,并且如果此时AD是允许的话,它将触发一次AD转换),这些事件可以通过寄存器 CCP1CON的低四位CCP1M<3:0>来设置是哪一种事件.

当选择PWM功能时,通过设置PR2、T2CON、CCPR1L、CCP1CON这四个寄存器,模块可以产生不同占空比的PWM波形.具体的设置和占空比的计算请参考手册.

如果我们不需要这些功能,可以把这个模块关闭掉(设置CCP1M<3:0>=0000即可).

8. 复位、中断和睡眠

(1)复位

PIC16F616包括这样的几个复位功能,上电复位(Power-on)、硬件复位、欠压复位(Brown-out)、看门狗复位.

关于上电复位POR,大家都不陌生,单片机在上电的时候保持复位直到电压能够满足其正常的工作电压,同时你可以通过对CONNFIG(编译器上即可设置)的设置,来开启Power-up Time,这个时间一般为64ms.

硬件复位可以通过MCLR引脚外界复位电路,即可实现硬件复位(将此引脚接低电平).

欠压复位这个功能是可选的,也可以直接在编译环境中配置CONFIG寄存器来开启此功能.当此功能开启时,如果单片机在运行的时候,供电电压不足就会引起欠压复位,复位后单片机如果发现供电电压已经达到正常值的时候,会有一个64ms的延时,然后再运行程序.

关于看门狗的复位在看门狗部分已经说了.这里的一些复位还涉及到一些标志位.这些标志位分布在STATUS和PCON上面.STATUS上有两个位 TO、PD,当标志位TO=1时,表示表示已经操作了上电复位或者是执行了CLRWDT或者SLEEP指令,当TO=0时,表示发生了看门狗复位.当标志 位PD=1时表示操作了上电复位或者是执行了CLRWDT指令,当PD=0时,表示执行了SLEEP指令.PCON上有两个标志位是POR和BOR,分别 表示的是上电复位和欠压复位标志.具体的可以参看手册.

(2)中断

PIC16F616包括这样的几个中断源:RA2/INT引脚外部中断、RA端口电平变化中断、定时器Timer0、Timer1、Timer2溢出中断、比较器中断、AD转换中断、捕获/比较/PWM中断.

这些中断的允许位和中断标志位分别位于INTCON、PIE1、PIR1、IOCA这些寄存器里面,如果要开启相应的中断,就要置相应的中断允许位, 开启总中断位(INTCON寄存器的GIE位),还要开启INTCON上的PEIE位(定时器0溢出中断、INT引脚沿中断和RA端口的电平变化中断除 外).

当中断发生的时候,相应的中断标志位就会置起来,同时总中断标志位GIE会被清零,保证在此时间内不会相应其他的中断,然后将当前的PC指针值压栈保 存,以用来保证中断能正确的返回到原来执行的地方.然后PC指针指向中断向量地址0004H的地方,所以在编程序的时候,你可以在0004H的地址存一条 跳转指令跳到你定义的中断服务程序里面去就可以了.如果在中断的时候想保存一些重要的寄存器的话,可以在中断程序的起始将其保存,然后在中断服务程序的末 尾将其恢复即可.

要注意的是中断标志位不会自己清零,这就需要在编程的时候在软件上对其清零,否则的话,单片机不停的执行中断服务程序.如果你想要在以后的程序中还能产生中断的话,就要把总中断允许位GIE重新置位.

(3)睡眠

要想让单片机睡眠的方法很简单,执行一条SLEEP指令就可以了,如果看门狗允许的话,WDT就会被清零,但是还保持运行,寄存器STATUS的PD位将会置0,TO位将会置1,IO口还保持原来的状态,在睡眠状态下,不能驱动振荡器了.

有些事件可以将单片机从睡眠状态中唤醒:看门狗、RA口电平变化中断、外部复位引脚MCLK被拉低、RA2/int引脚沿中断、Timer1中断(必 须工作在异步计数模式)、ECCP捕获模式中断、AD转换中断(时钟源必须为内部RC的时候)、比较器输出有变化,这些事件能够将单片机唤醒,其他的事件不能.

如果某项能唤醒单片机的中断已经开了,当总中断允许位GIE为1的时候,单片机被唤醒后可以进入中断程序中去,而当GIE位为0的时候,单片机也可以被唤醒,但是是执行下面的语句,而不能进入中断程序中去.

为了保证在执行SLEEP语句后看门狗能够清零,最好在SLEEP语句之前加一句清看门狗的语句CLRWDT.

9. PIC单片机的一些电特性

VSS引脚的最大输出电流和VDD最大的输入电流为:90mA;

每个IO口的输出电流可达25mA,IO口总共输出电流可达90mA;

每个IO口是由两个保护二极管上下钳位的.当电压超过VDD和VSS的时候,二极管最大能承受20mA的电流;

IO口输入漏电流最大为±1uA,引脚MCLR和OSC漏电流最大为±5uA;

PORTA内部弱上拉(若设置了此功能)电流最大为 400uA;

IO口输出低电平为0.6V,输出高电压为VDD-0.7V;

10. 编程注意事项及技巧

在编程调试后和根据网上的一些资料和经验,我注意到了一些在编程的事项和技巧,通过这些设置,可以使系统更加稳定的工作,现在总结如下:

(1)在设置端口的时候,先将端口输出你想要预置的值,以免发生出示状态的不稳定,影响系统正常工作.虽然在当前还没有定义端口是输出还是输入状态,这样做总是好的.

(2)在开启某个中断功能的时候,最好将其中断标志位清一次零.

(3)在设计低功耗的时候,其中有些功能是比较耗电的,如果不用的话,一定要将其关掉.例如将IO口设置成输入并将其悬空,就会很耗电流;RA口设置 弱上拉的时候如果引脚接地,电流会很大;欠压复位也是一个耗电大户.而看门狗开启时用的时钟源为内部的RC,不怎么耗电;AD转换耗电也不多.