PIC單片機的應用設計技巧

美國微芯公司(Microch{p Technology Inc．)開發的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潔、簡單易學、速度高、功能強、功耗低、價格低廉、體積小巧、適用性好及抗干擾能力強等特點，大量應用于汽車電氣控制、電機控制、工業控制儀表和儀表、通信、家電、玩具、低功耗的測控應用等領域，在國內越來越受到廣大設計者的歡迎，微芯公司的單片機已經成為目前單片機世界的主流產品。

　　PIC 8位單片機內已經包含運算器、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。這樣電路結構很簡單，開發周期將大為縮短。

　　PICl6系列單片機屬于PIC8位單片機的中級型產品，采用14位的RISC指令系統。筆者使用PICl6F716單片機設計了一個電動機保護器，在設計過程中遇到很多問題，通過多??
方查找資料以及向Microchip公司技術人員尋求支持，問題一一得到解決。現將部分問題記錄如下，與大家一起探討。

　　1 ICD2作為程序燒寫的使用

　　1.1 ICD2簡介

　　MPLAB ICD2在線調試器是一款低價位的PIC開發工具。它利用Flash工藝芯片的程序區自讀寫功能來實現仿真器調試功能；使用的軟件平臺是Microchip的MPLAB IDE(集成開發環境軟件包)，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，同時還可以作為開發型的燒寫器使用。

　　1．2 ICD2作為燒寫器時的配置

　　燒寫芯片的方式有兩種：普通燒寫和在線燒寫。在線燒寫是適合大批量生產方式的燒寫辦法。使用在線燒寫時通常用戶都已經把芯片焊到了板上，此時就要求用戶板上有預留的燒寫接口。用戶板上的接口是通過一條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。

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??? ICD連接插座有6個引腳，但只使用了其中的5個引腳，分別是VDD(電源)、VSS(地)、VPP(編程電壓)、PGC(同步時鐘)和PGD(數據)。

1．3 ICD2作為燒寫器時容易出現的問題及解決方法

　　盡管MPLAG ICD2與目標板的互連非常簡單，但是一不小心就會出現問題，基本上每一個PIC的入門者都會碰到類似的問題。下面就一些常見問題作簡要敘述。

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

　　對于PGC、PGD兩根線，由于在ICD2內部已經進行了上拉，所以在外圍設計中，不要冉進行上拉，否則會造成分壓。對于PGC、PGD和VPP三根線，不要對地接電容．因為電容會阻礙在數據和時鐘線上電平的快速轉換，從而影響ICD2與目標板的連接。同樣對于PGC、PGD，由于數據或時鐘都是雙向傳輸的，這時如果在中間串一個二極管，則會影響ICD2與單片機的雙向通信。

　　但是，對PGC和PGD來說，在單片機上同時復用為普通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時從芯片的PGC和PGD端口直接跳線到程序燒寫口。

　　2 A／D轉換通道切換問題

　　筆者所設計的電動機保護器需要進行很多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，因此附加了一個多位選擇開關對一個A／D通道進行復用。而在調試中發現這樣一個問題，就是A／D轉換值不準確，甚至有點亂，但從程序流程以及代碼角度均查不出任何問題。后查明PICl6F716單片機進行A／D轉換通道切換時，需要一定的延時，延時時間是毫秒級。解決辦法是：在通道問切換時，當第一個通道轉換完成后，先轉到另一個通道；然后延時1ms左右，再進行A／D轉換。而對同一個通道信號切換時，要在第一個信號轉換完成后，禁止信號輸入，延時1ms左右；然后輸人信號，再進行A／D轉換。

　　這種做法比較麻煩，也很占用時間，并且從調試結果來看，問題并沒有解決。在反復進行調試中，最后得到的優化解決辦法是：對于通道間轉換以及同一通道信號轉換，要對每一個信號至少進行兩次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。從調試結果來看，很好地解決了這一問題。
　? 3 軟件開發小技巧

　　PIC單片機采用精簡指令集，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初學者很不適應。下面筆者就自己的體會，談一些軟件設計需要注意的問題。

　　3.1 指令的大小寫問題

　　編寫PIC單片機的源程序，除了源程序的開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規則，否則在PC機上匯編程序時不會成功。在源程序中都會使用偽指令INCLUDE。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中有關該單片機已有的寄存器在源程序中無需再用賦值指令(EQU)賦值，這就使所建立的源程序大為簡化。

　　此外，由于有了偽指令INCLUDE，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的，其字母一律只能大寫，不能小寫。其余操作碼、符號字母可任意大小寫，但0x中的x應小寫。否則匯編不會成功。鑒于上述原因，為了書寫方便，在使用MPLAB軟件時，PIC單片機的源程序均用大寫字母為宜(0x例外)。

　　3．2 振蕩器的配置以及時序的計算

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

　　3.3 存儲體的選擇

　　PIC單片機的數據存儲器通常分為兩個存儲體，即存儲體O(Bank0)和存儲體1(Bankl)。每個存儲體都是由專用寄存器和通用寄存器兩部分組成的。兩個存儲體中的一氈寄存器單元實際上是同一個寄存器單元，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STATUS寄存器的RPl位和RP0位來選擇的。當配置為00時，表示選擇存儲區0；當配置為01時，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時，只改變RP0位來選擇存儲區。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，要分別對RPO和RPl進行置位。在程序初始化時，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。然后將每個需要初始化的寄存器分別在對應的存儲區進行初始化即可。

　　3.4 GOTO和CALL指令的不同使用

　　在PIC的匯編程序中，CALL與GOT0指令使用的場臺不同。CALL是用來調用子程序的，在調用完子程序后返回到調用前的程序；而GOTO是無條件轉移，即由此狀態進入另外一個狀態而不需要返回。

　　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，而主程序則相當簡潔，只須采用CALL指令對子程序進行調用。

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

??? BTFSS STATUS，Z
??? GOTO A
??? GOTO B

　　在跳轉到A時，必須使用GOTO指令；否則執行完這條語句以后，緊接著執行GOTO B。這樣無論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只在子程序內部進行跳轉，小程序內部循環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，在使用匯編語言進行程序設計時，應該將程序分解成一級級的子程序；然后在程序之間進行調用，盡量將GOTO指令跳轉的范圍縮小。

　　3.5 對芯片的重復燒寫

　　對沒有硬件仿真器的設計者來說，總是選用帶有EPROM的芯片來調試程序，通過反復的修改來觀看運行結果，以便對程序進行調試。每更改一次程序．都是將原來的內容先擦除，再編程，浪費了相當多的時間，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變為0，那么就可在前一次編程芯片上再次寫入數據，而不必擦除原片內容。

　　在程序調試??
過程中，經常遇到常數的調整。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

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