PIC18系列单片机原理及实践

2019/12/4大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1PIC18系列单片机原理及实践（第一章）参考资料：《PIC技术宝典》PICMicrocontrollerandEmbeddedSystems[美]RolinD.Mckinlay著课件编写：大连理工大学电工电子实验中心2009年12月2019/12/42大连理工大学电工电子实验中心陈育斌如何学习PIC单片机在产品的设计中，对于PIC单片机的选型采用的是“因地制宜”的策略——根据需要合理选择各种系列产品，这样可以做到产品的最佳“性价比”。这也是PIC单片机的一种“优势”。如洗衣机、电冰箱或电梯控制系统等会采用从低到高不同的PIC系列产品。由于PIC单片机各个档次之间存在于指令不完全兼容的特点，那么如何选择、从那个系列入手学习呢？1.16FXXX：具有丰富的内部模块、完整的指令系统和良好的向下兼容性。适合初学入门的系列；2.18FXXX：高效的16位指令系统、大容量的ROM和RAM结构使其更适合C语言编程。更为丰富的内部某块和8位的硬件乘法器使其具备DSP的性能。学习的高级阶段。2019/12/43大连理工大学电工电子实验中心陈育斌目录1.第一章PIC微控制器的历史和特征2.1.1PIC微控制器的产品系列3.1.2PIC18系列微控制器的特性4.1.3PIC微控制器的产品局限性5.1.4PIC微控制器的程序ROM6.1.5PIC微控制器的数据RAM和E2PROM7.1.6PIC微控制器的I/O引脚8.1.7PIC微控制器的外围设备2019/12/44大连理工大学电工电子实验中心陈育斌第一章PIC微控制器的历史和特征1989年Microchip公司开发了一种8位的微控制器：PIC（PeripheralInterfaceControler———外围接口控制器）；将少量的RAM、ROM、一个定时器和一些I/O端口全部集成在一个8脚的芯片上；在不到10年的时间内，Microchip公司已经把这个如此简陋的产品发展成主流的8位微控制器这是一个奇迹；2019/12/45大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.1PIC微控制器的产品系列1.10XXX2.12XXX3.14XXX4.16XXX：应用最广泛的8位机产品，14位指令宽度5.18XXX：8位机中的高档产品，16位指令宽度。它们全部都是8位机系列（内部的数据总线为8位），8位机的特点：CPU每次处理数据的能力为8位，如果超过8位就必须事先将其截为8位后再分别处理。2019/12/46大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.2PIC18系列单片机的特性与其它PIC系列单片机一样，采用精简指令集RISC、流水作业、丰富的内部模块、低功耗大电流驱动等。为了更适合单片机的C语言开发，18系列设计成较大的信息存储空间。如：①2M的程序存储器空间；②4K的数据存储空间；这种设计极大的方便了C语言的设计与编程。2019/12/47大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（一）高性能RISCCPUC编译器优化体系结构/指令设置；兼容PIC16和PIC17指令源代码；高达2MB的程序存储器；高达4KB的数据存储器；2019/12/48大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（二）优越的外围功能模块特征最大拉/灌电流可达25mA；3个外部中断引脚；4个定时器TMR0、TMR1、TMR2、TMR3；捕捉/比较/脉宽调制（CCP）模块/增强型CCP模块；两种工作方式的主同步串行通讯（MSSP）：1.①SPI主控方式（支持所有4种SPI工作模式）；2.②I2C主控/从动方式；可寻址的USART模块：支持RS-485和RS-232串口,并行从动口模式,支持中断支持位。2019/12/49大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（三）高级模/数转换特性10位、8通道的模/数（A/D）转换模块：可利用休眠状态进行转换，以减少系统干扰、提高精度；模拟比较模块：可编程多路输入/输出技术；比较器参考电压模块；可编程的低电压探测模块（PLVD）：支持低电压检测时产生中断；可编程的锁定复位（BOR）；2019/12/410大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（四）特殊的单片机特性增强功能的FLASH可经受100,000次擦/写操作；EEPROM可经受1,000,000次擦/写操作；FLASH/数据EEPROM数据保存期可超过40年；软件控制自动可改编程序（在线升级）；上电复位电路（POR）、上电延迟定时器（PWRT）和振荡器起振定时器（OST）；片内RC振荡的看门狗定时器（WDT）保证可靠运行；低功耗睡眠模式（Sleep）；2019/12/411大连理工大学电工电子实验中心陈育斌可选择不同的振荡器工作方式：①4锁相环（主振荡器）；②2路振荡器（32KHz）时钟输入；通过两个引脚可进行在线串行编程（ICSP）；通过2个脚在线调试器。2019/12/412大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（五）CMOS芯片工艺性能低电压，高速度FLASH/EEPROM技术；全静态设计；宽范围的工作电压：2.0-5.5V；工业级和扩展级温度范围；低功耗：—在5V、4MHz下典型值1.6mA；—在3V、32KHz下典型值25uA；—待机电流典型值0.2uA。2019/12/413大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.3PIC微控制器的产品局限性由于历史原因：PIC单片机的产品是逐渐从低向高发展。其中最明显的特征是：随着产品性能的提高其内部的硬件结构也在变化。如程序存储器ROM的宽度会随着产品性能的升级而加宽，且指令系统也在扩充。1.12XXX的指令宽度为12位，指令系统为33条；2.16XXX系列的指令宽度为14位，指令系统为35条；3.18XXX系列的指令宽度为16为，指令系统为58条。这种特点决定了不同系列的产品其指令系统没有很好的兼容性。2019/12/414大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.4PIC微控制器的程序ROM与其他厂家的微控制器一样，用于存储程序代码或常数的程序ROM其结构、特点决定了其实用的环境和应用的价值。1.其大小决定了系统程序的容量。在广泛使用C语言编程的今天，采用大容量结构设计显得尤为重要；2.ROM的制造工艺决定了微控制器的使用特点和制造成本，这也与半导体工艺的发展水平相关；2019/12/415大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（一）UV—EPROM的PIC微控制器早期微控制器ROM的工艺结构。需配合“紫外线擦除器”和“程序烧写器”完成程序的写入；1.使用“紫外线擦除器”中的紫外线照射芯片大约20分钟，利用“光—化学”反应将芯片中的旧程序擦除；2.再使用“程序烧写器”将新程序烧写到芯片中。早期产品，用于产品的研制阶段。这类芯片的最大缺点是擦除时间长，目前已经被淘汰。芯片本身有一个明显的特征：在芯片正面的中央有一个大约直径10mm透明窗口，为紫外线照射提供一个入射的光路通道。2019/12/416大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（二）带闪存flash的PIC18FXXX与UV—EPROM相比，flash闪存程序存储器采用“电擦除”技术，具有速度快，擦除次数多的优点。因此闪存ROM已经取代UV—EPROM，是当前广泛采用的模式；PIC18FXXX系列微控制器采用闪存ROM结构。擦除程序不用外加“擦除器”，但烧写程序时需要“程序烧写器”。在PIC产品中是以F为来表示的，如：PIC18F458等；当使用程序烧写器烧写程序时，首先要擦除旧程序然后烧写新程序。擦除和写入的过程是由编程器自动进行的。这类芯片适用于产品的研制阶段，需要不断修改、调试程序的场合。2019/12/417大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（三）PIC单片机的OPT版本OPT（onetimeprogrammable）——一次性编程技术。在PIC产品中是以C为来表示OPT结构的，如：PIC16C432等;与闪存flash工艺结构的芯片相比，具有较低的制造成本。因此，适合当程序调试成功后进行大规模的生产的情况，这样可有效降低生产成本；OPT芯片只能进行一次编程，一旦程序烧写进去就永远无法修改。因此此类芯片不适合开发阶段的使用。2019/12/418大连理工大学电工电子实验中心陈育斌（四）PIC单片机的掩模版本所谓“掩模”技术是指：将编写好并调试成功的源程序代码直接交给生产微控制器的厂家，由芯片制造厂家在制造芯片的过程中将用户程序一同烧入的模式；在所有ROM的制造工艺模式中，“掩模”工艺是制造成本最低的一种方式，非常适合工厂对设备的批量生产。采用掩模技术制造的芯片是“专用”的芯片，不能用于其它项目。因此，掩模ROM工艺的单片机是针对某一产品生产的。2019/12/419大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.5PIC微控制器的数据RAM和E2PROMRAM和E2PROM都是用来存储数据的。其中：1.RAM用于存储程序的“变量”，如系统采集的输入数据、处理运算的中间结果或者是程序的最终数据等。2.RAM的大小影响着CPU处理数据的空间。一个大容量的RAM还可以使高级语言运行更为流畅。3.特点：存储速度快（与指令运行的速度同步）、掉电后数据丢失。2.E2PROM用于存储“重要而不需经常修改的数据”。一般是结果数据，如：水表的流量、汽车的行驶里程、远端采集的遥感数据等。3.特点：掉电后数据不丢失、存储数据速度慢（ms级）。2019/12/420大连理工大学电工电子实验中心陈育斌在PIC18XXX系列中，不同型号芯片其RAM、E2PROM的配置是不同的；RAM的容量从256B～4096B不等，一般是按照256B的整数倍来设置RAM的容量；在PIC18XXX系列产品中，都会配置一个小容量（256B）的E2PROM模块，以满足一些需要特定环境（如掉电）的数据保存的要求。与RAM不同，E2PROM是以“外围模块”的方式来工作的，它需要SFR的控制来参与“读/写”操作。2019/12/421大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.6PIC微控制器的I/O引脚PIC18XXX系列单片机的引脚为18～80不等，其中可做I/O引脚的数量为16～72不等。很明显，I/O引脚的数量受到芯片引脚的约束。Microchip公司对产品开发采用了“面向应用”的设计理念，产品种类多而细，从8脚的简约型到80脚高档型。这种设计使用户可以根据工程项目的需要有“针对性”的进行选型，做到系统设计的“最优性价比”。引脚的减少意味着芯片功能的简化，降低成本。相反，80脚的产品意味着芯片内部模块的增加、功能的强大（因为许多模块都需要借助于引脚进行数据交换的）。2019/12/422大连理工大学电工电子实验中心陈育斌1.7PIC微控制器的外围设备PIC微控制器是由“核心器件”和“外围模块”组成。1.由中央处理器CPU、数据存储器RAM、指令译码控制器以及时钟电路、复位电路等控制逻辑统称为“核心器件”，它是构成微控制器的必要部分。在PIC18FXXX系列中，不论什么型号其“核心器件”都是相同的；2.将芯片内部所包含的ADC、定时器、同步/异步收发器、E2PROM、看门狗WDT、I2C总线、CAN总线接口等统称为“外围模块”。外围模块有两个特征：3.①都是由对应的SFR进行初始化控制；4.②在PIC18XXX系列中，不同的型号其配置各不相同。