PIC单片机原理及应用.ppt

2020 2 24 1 PIC单片机原理及应用 2005 12 2020 2 24 2 内容提要 单片机概述PIC单片机的特色PIC单片机的程序设计 2020 2 24 3 单片机概述 单片机正名为 微控制器 MCU MicroControllerUnit 据权威机构统计 2001世界单片机年产量7高于70亿片 中国大陆的单片机年需求量约6亿片 每年16 的速度增长 2002年仅8位单片机销售额高达45亿美元 预计2004年和2006年8位单片机的销售额分别达到54亿和60亿美元 一辆RMW 7系列宝马轿车中嵌入了63片单片机 MOTOROLA公司估计到2010年平均每人每天接触到多达351片甚至更多的单片机 2020 2 24 4 单片机概述 何为单片机 将CPU RAM ROM I O等集成在一块集成电路芯片上 单片机具有性能高 速度快 体积小 价格低稳定可靠 应用广泛 通用性强等突出优点 输入设备 输出设备 运算器 控制器 存储器 微型计算机基本结构 CPU ROM RAM I O 一般单片机内部结构 总线 2020 2 24 5 单片机概述 凡能想到的地方 单片机都可以用得上 电信家用电器计算机外围设备办公自动化工业控制 遥控彩电电路方块图 商用电子玩具仪器仪表汽车电子军用电子 红外接收头 遥控器 单片机 射频 视频音频 电源传统功能电路 2020 2 24 6 单片机概述 硬件结构上和指令设置上的独特之处 存储器ROM和RAM严格分工 采用面向控制的指令系统 输入输出 I O 端口引脚通常设计有多种功能 品种规格的系列化 单片机的硬件功能具有广泛的通用性 2020 2 24 7 PIC单片机的特色 哈佛总线结构 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 CPU ROM RAM I O 普通单片机内部 冯 诺伊曼 结构 总线 8 8 8b 8b ROM CPU RAM I O PIC单片机内部 哈佛 结构 数据总线 8b 12b 16b 8 取指执行 取指执行 取指执行 取指执行 取指执行 RISC CISC 2020 2 24 8 PIC单片机的特色 指令单字节化 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 数据总线和指令总线分离 ROM和RAM寻址空间互相独立 宽度不同 确保数据安全性 提高运行速度和实现全部指令单字节化 MCS 51系列ROM和RAM都是8位 指令长度1 3字节 长短不一 PIC12C50X PIC16C5X系列单片机的指令字节为12位 PIC16C6X 7X 8X系列单片机的指令字节为14位 PIC17CXX系列单片机的指令字节为16位 2020 2 24 9 PIC单片机的特色 精简指令集 RISC 技术 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 PIC系列单片机的指令系统只有35条指令 常用约20条 好学 易用 绝大多数为单周期指令 执行速度快 MCS 51系列单片机指令系统有111条指令 2020 2 24 10 PIC单片机的特色 寻址方式简单 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 PIC系列单片机只有4种寻址方式 寄存器间接寻址 立即数寻址 直接寻址和位寻址MCS 51系列单片机则有7种寻址方式 2020 2 24 11 PIC单片机的特色 代码压缩率高 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 1K字节的存储器空间 PIC系列单片机能够存放1024条指令 MCS 51系列单片机大约只能存放600条指令 相对代码大小 1 00 1 29 2 10 2 24 1 51 1 55 MCC PIC COP800 ST82 68HC05 8051 Z86 典型单片机代码紧凑性比较图 2020 2 24 12 PIC单片机的特色 运行速度高 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 采用哈佛的总线结构 指令的读取和执行采用流水作业方式 PIC17CXX是目前世界上速度最快的品种之一 相对执行速度 1 00 0 108 0 046 0 136 0 212 0 30 Fastest PIC COP800 ST82 68HC05 8051 Z86 典型单片机运行速度比较图 20MHz 20MHz 20MHz 8MHz 4 2MHz 12MHz 2020 2 24 13 PIC单片机的特色 功耗低 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 PIC单片机是世界上功耗最低的单片机品种之一在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA 在睡眠模式下耗电可以低到1 A以下 2020 2 24 14 PIC单片机的特色 驱动能力强 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 I O端口驱动负载强 每个I O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA 能够直接驱动发光二极管LED 光电耦合器或者微型继电器等 2020 2 24 15 PIC单片机的特色 I2和SPI串行总线端口 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 I2 InterICBus 和SPI SerilPeripheralInterface 是在芯片之间实现同步串行数据传输的技术 方便灵活的扩展外围器件 大大简化单片机应用系统的结构 极易形成产品电路的模块化结构 大屏幕彩电中都引入了I2技术 2020 2 24 16 PIC单片机的特色 寻址空间设计简单 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 PIC系列单片机的程序 堆栈 数据三者各自采用互相独立的寻址 或地址编码 空间 而且程序 堆栈的地址安排不需要用户操心 2020 2 24 17 PIC单片机的特色 外接电路简洁 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 PIC系列单片机片内集成了上电复位电路 I O引脚上拉电路 看门狗定时器等 可以最大程度的减少或免用外接器件 以便实现 纯单片 应用 2020 2 24 18 PIC单片机的特色 开发方便 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 微芯片公司研制了多种版本的软件仿真器和软件综合集成开发环境 MPLAB IDE 对于PIC系列中任一款单片机的开发 都可以借助于一套免费的软件综合开发环境 实现程序编程和模拟仿真 各档次的硬件仿真器和程序烧写器 或称编程器 价格在500元 2000元不等 2020 2 24 19 PIC单片机的特色 C语言编程 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 对于掌握了C语言的用户 微芯片公司还提供了C语言编译程序 使用C语言进行程序设计 可以大大提高工作效率 2020 2 24 20 PIC单片机的特色 品种丰富 高级 中级 基础级 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 PIC系列单片机目前已形成多个层次 数百个型号 片内功能从简单到复杂 封装形式从8脚到64脚 可以满足各种不同的应用需求 也就是说 PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积 而是从实际出发 重视产品的性能与价格比 靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求 比如 一个摩托车的点火器需要一个I O较少 RAM及程序存储空间不大 可靠性较高的小型单片机 若采用40脚且功能强大的单片机 投资大不说 使用起来也不方便 PIC12C508单片机仅有8个引脚 是世界上最小的单片机 2020 2 24 21 PIC单片机的特色 品种丰富 高级 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 2020 2 24 22 PIC单片机的特色 品种丰富 中级 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 2020 2 24 23 PIC单片机的特色 品种丰富 基础级 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 2020 2 24 24 PIC单片机的特色 程序存储器版本齐全 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 带窗口的EPROM和带FLASH芯片 适合程序反复修改的开发阶段 一次编程 OPT 的EPROM芯片 适合于小批量试生产和快速上市的阶段 ROM掩模型芯片 适合大批量定型产品的规模化生产 2020 2 24 25 PIC单片机的特色 可靠性和程序的保密性 PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向 自带看门狗定时器 可以用来提高程序运行的可靠性彻底的保密性 PIC以保密熔丝来保护代码 用户在烧入代码后熔断熔丝 别人再也无法读出 除非恢复熔丝 目前 PIC采用熔丝深埋工艺 恢复熔丝的可能性极小 2020 2 24 26 8引脚闪存8位CMOS单片机 PIC12F629 675性能概述 仅35条指令 除跳转指令外都为单周期 DC 20MHz时钟 DC 200ns指令周期32KHz时工作电流典型值8 5uA 待机nA级 高精度内部4MHz 1 振荡器 电压3 0V时 将CPU从休眠模式唤醒需要5us 宽工作电压范围 有扩展级温度范围 POR PWRT OST BOD WOT MCLR 引脚电平变化触发中断 独立可编程弱上拉 耐久性闪存 EEPROM存储单元 达10万次 6个双向I O 675有10位A D 双定时器 2020 2 24 27 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675简化结构框图 PORT Flash程序存储器1K 14 RAM寄存器64 8 8级堆栈13位 定时器0 定时器1 A D转换器 上电延时定时器振荡器启动延时上电复位看们狗定时器掉电复位监视定时器 指令译码与控制 时钟发生器 FSR寄存器 状态寄存器 W寄存器 运算单元 指令寄存器 EEPROM128字节 T1GT1CKIT0CKI GP0 AN0 CIN GP1 AN1 CIN VREFGP2 AN2 T0CK INT COUTGP3 MCLR VPPGP4 AN3 T1G OSC2 CLKOUTGP5 T1CKI OSC1 CLKIN 程序计数器PC 内部4MHz振荡器 AN0AN1AN2AN3 比较器参考电压 CIN CIN COUT 2020 2 24 28 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675时钟和指令周期时序 OSC1 Q1 Q2 Q3 Q4 PC 取指 PC 执行 PC 1 取指 PC 1 执行 PC 取指 PC 2 执行 PC 1 2020 2 24 29 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675程序存储器组织结构 CALL RETURNRETFIE RETLW PC 12 0 13 用户存储器空间 0000h 0004h 0005h 03FFh 0400h 1FFFh 2020 2 24 30 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675数据存储器组织结构 00 01 02 03 20 1F 7F 寄存器地址 80 81 82 83 A0 9F FF 寄存器地址 BF C0 Bank0 Bank1 专用寄存器 专用寄存器 2020 2 24 31 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675I O端口 GPIO和TRISO寄存器 TRISO 定义GPIO引脚是输入还是输出 1 输入0 输出 CLRFGPIO 初始化GPIOBCFSTATUS PRO 选中Bank0MOVLW07h 置GP为数字IOMOVWFCMCON BSFSTATUS PRO 选中Bank1CLRFANSEL 引脚定义为数字MOVLWB 00001100 置数据方向初始化值MOVWFTRISO 置GP为输入 置RA为 输出 GPIO的初始化程序 2020 2 24 32 PIC12F629 675系统结构与工作原理 GPIO相关寄存器汇总 05hGPIO寄存器 用于读写6个端口的数据 0Bh 8BhINTCON中断控制寄存器 设置中断类型等 19hCMCON比较器控制寄存器 设置比较器工作方式 81hOPTION REG选项寄存器 各种控制位配置 85hTRISIOGPIO的方向三态寄存器 定义引脚输入还是输出 95hWPU弱上拉寄存器 设置GP是否弱上拉使能 96hIOC引脚电平变化中断寄存器 设置IOC触发中断使能 9FhANSEL模拟选择寄存器 设置引脚为I O或A D及A D时钟 2020 2 24 33 PIC12F629 675系统结构与工作原理 TIMER0定时器 计数器 主要特点 8位定时器 计数器 可读写 8位软件可编程预分频器 内部或外部时钟选择 FFh到00h的溢出中断 外部时钟的边沿选择 工作方式设置 清零T0CS位 OPTION REG 定时器模式 置未T0CS位 OPTION REG 计数器模式 TIMER0相关寄存器 TMR0 INTCON OPTION REG TRISIO 2020 2 24 34 PIC12F629 675系统结构与工作原理 TIMER116位定时器 计数器 Bit6 1 使能启动TIMER1 0 忽略此位 Bit 预分频选择00 1 1 01 1 2 10 1 4 11 1 8 Bit3 置位使能LP振荡器 INTOSC处于激活状态 Bit2 1 与外部时钟输入不同步 0 同步 TMR1CS 0 Bit1 时钟源选择1 来自T1OSO T1CKI引脚 0 内部时钟 Fosc 4 Bit0 TIMER1启动控制1 使能TIMER1 0 停止TIMER1 T1CON TIMER1控制寄存器 地址 10h Bit0 Bit7 2020 2 24 35 PIC12F629 675系统结构与工作原理 TIMER116位定时器 计数器 工作方式 带预分频16位定时器 16位同步计数器或异步计数器 中断 计满回零 从FFFFh返回到0000h 时产生中断 预分频 1 2 4 8的分频由T1CON设置 但通过写如TMER1H或TMER1L可清零预分频器 内部或外部时钟选择 同步或异步操作模式选择 可选择外部使能输入 T1G 可选LP振荡器 异步模式可休眠及溢出时唤醒 其它相关寄存器 INCON PIR1 TMR1L TMR1H PIE1 2020 2 24 36 PIC12F629 675系统结构与工作原理 比较器模块 Bit6 比较器输出位 比如 CINV 1时 1 VIN VIN Bit4 比较器输出翻转位 1 输出翻转 0 输出不翻转 Bit3 比较器输入开关位 在110或101模式时 1 VIN 连接到CIN 0 VIN 连接到CIN Bit 比较器模式位 数字或模拟输入 VREF 带输出否 关闭 CMCON 比较控制寄存器 地址 19h Bit0 Bit7 2020 2 24 37 PIC12F629 675系统结构与工作原理 比较器工作原理 VIN VIN 输出 VIN VIN 输出 其它相关寄存器 INCON PIR1 PIE1 TRISIO VRCON 2020 2 24 38 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F675模拟转换模块 GP0 AN0GP1 AN1 VREFGP2 AN2GP4 AN3 ADC ADRESH ADRESL 10 10 ADON GO DONE CHS1 CHS0 VDD VCFG 0 VCFG 1 VREF 原理框图 2020 2 24 39 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F675模拟转换模块 Bit7 AD结果格式选择位 1 右对齐 0 左对齐Bit6 VCFG参考电压位 1 选用VREF引脚上电压 0 选用VDD Bit 模拟通道选择位Bit1 AD转换状态位 1 A D转换正在行进 0 A D转换完成 未进行 Bit0 AD转换器状态位 1 启动A D转换 0 关闭A D 低功耗 ADCON AD控制寄存器 地址 1Fh Bit0 Bit7 2020 2 24 40 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F675模拟转换模块 Bit AD转换时钟选择 000 110 FOSC 2 FOSC 64或FRC Bit 模拟选择位 引脚的功能分别选为模拟或是数字 1 模拟输入 0 数字I O ANSEL 模拟选择寄存器 地址 9Fh Bit0 Bit7 A D最短采样时间 TACQ 放大器稳定时间 保持电容充电时间 温度系数 19 72us 2020 2 24 41 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675CPU的特殊功能配置 Bit BOD和POR电压的带隙校准位 00 最低 11 最高 Bit8 数据代码保护位 1 禁止数据存储器代码保护 0 使能保护 Bit7 程序代码保护位 1 禁止程序存储器代码保护 0 使能保护 CONFIG 配置字 地址 2007h Bit0 Bit7 Bit8 Bit13 2020 2 24 42 PIC12F629 675系统结构与工作原理 PIC12F629 675CPU的特殊功能配置 Bit6 欠压检测使能位 1 使能BOD 0 禁止BOD Bit5 GP3 MCLR引脚功能选择 1 引脚功能为MCLR 0 I O Bit4 上电延时定时器使能位 1 禁止PWRT 0 使能PWRT Bit3 看门狗定时器使能位 1 禁止WDT 0 使能WDT Bit 振荡器选择位 111 110 RC振荡器 相应引脚功能不一样 101 100 INTOSC振荡器 相应引脚功能不一样 011 EC 010 HS振荡器 001 XT振荡器 001 LP振荡器 2020 2 24 43 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72简化结构 PORTA PORTB PORTC Flash程序存储器2K 14 RAM寄存器128 8 8级堆栈13位 定时器0 定时器1 定时器2 A D转换器 上电延时定时器振荡器启动延时上电复位掉电复位监视定时器 指令译码与控制 时钟发生器 FSR寄存器 状态寄存器 W寄存器 运算单元 指令寄存器 同步串行口 CCP1 RA0 AN0 RA3 AN3 VREFRA4 T0CK1RA5 AN4 SS RB0 INTRB1 RB7 RC0 T1OSO T1CK1RC1 T1OSI CCP2RC2 CCP1RC3 SCK SCLRC4 SDI SDARC5 SDORC6 TX CKRC7 RX DT 程序计数器PC 2020 2 24 44 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72时钟和指令周期时序 OSC1 Q1 Q2 Q3 Q4 PC 取指 PC 执行 PC 1 取指 PC 1 执行 PC 取指 PC 2 执行 PC 1 2020 2 24 45 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72程序存储器组织结构 CALL RETURNRETFIE RETLW PC 14位 14 用户存储器空间 0000h 0004h 0005h 07FFh 0800h 1FFFh 2020 2 24 46 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72数据存储器组织结构 00 01 02 03 20 1F 7F 寄存器地址 80 81 82 83 A0 9F FF 寄存器地址 BF C0 Bank0 Bank1 专用寄存器 专用寄存器 2020 2 24 47 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72I O端口 PORTA和TRISA寄存器 TRISA 定义PORTA引脚是输入还是输出 CLRFPORTA PORTA口初始化BSFSTATUS PRO 选中Bank1MOVLWB 11001111 置数据方向初始化值MOVWFTRISA 置RA为输入 置RA为输出 D7和D6总是读出为0 RA0 AN0RA1 AN1RA2 AN2RA3 AN3 VREFRA4 T0CK1RA5 AN4 SS PORTA PORTA的初始化程序 2020 2 24 48 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72I O端口 PORTB和TRISB寄存器 PORTB是一个双向可编程I O口 方向寄存器定义引脚的输入和输出 CLRFPORTB PORTB口数据锁存器初始化BSFSTATUS PRO PR0置1 选中Bank1MOVLW0 x3C 00111100置数据方向初始化值MOVWFTRISB 置RB为输入 置RB为输出 PORTB PORTB的初始化程序 RB0 INT RB1 RB7 设置RB口中断 PB定义为输入的任一引脚有电平变化产生中断 2020 2 24 49 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72定时器 计数器 TMR2是一个8位的定时器 计数器 并带有一个预分频器和后分频器 它特别适合于作PWM CCP设置成PWM方式 的时基 2020 2 24 50 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72监视定时器WDT WDT计时溢出时 单片机系统被重新复位 进入程序正常运行状态 基本定时时间18ms 分频比1 128 在128分频时 定时周期为2 3s 为使程序正常运行 在WDT溢出前要执行CLRWDT指令 如果不想用这个功能 可在CONFIG中设置WDTE为0 2020 2 24 51 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72CCP模块 未用 读出恒为0 10位PWM方式时低2位数据 CCPx模式选择 0000关闭 复位 CCPx模块0100 0111捕抓方式1000 1011比较方式11XXPWM方式 CCP1CON CCP2CON寄存器基本定义 地址 CCP1CON 17h上电复位值 00h RC2 CCP1输入发生事件时 捕捉记录TMR1的16位值 CCPR1与TMR1不断比较 RC2 CCP1引脚输出相应的高 低或保持 CCP2 CCP1可输出高达10位的脉宽调制波形 2020 2 24 52 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72串行模块 同步串行口SSP部件有串行外围接口SPI和I2C总线两种工作方式 SPI方式 可允许同时同步传送和接收8位数据 由SSP状态寄存器SSPSTAT和SSP控制寄存器SSPCON定义 芯片间总线 I2C 方式 定义同上 串行通信接口SCI部件 主要由TXSTA RCSTA两个寄存器定义工作 利用RC6和RC7两个引脚作为通信线的二线制通信接口 有三种工作方式 全双工异步方式 半双工同步主控方式 半双工同步从动方式 2020 2 24 53 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72A D转换部件 控制寄存器ADCONx A D转换允许位 A D转换完成中断标志位 A D转换状态位 1 进行 0 完成转换 A D模拟通道选择位 A D转换时钟选择位 ADCON0控制A D转换器的操作 地址 ADCON0 08h上电复位值 00h ADCON1控制选择A D引脚的功能 A D转换引脚功能选择位 地址 ADCON1 9Fh上电复位值 00h 2020 2 24 54 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72A D转换部件 A D转换引脚选择表 2020 2 24 55 PIC16F72系统结构与工作原理 PIC16F72A D转换部件 在RA0通道实现A D转换 BSFSTATUS PRO 选择页面1CLRFADCON1 设置A D通道模拟输入BSFPIE1 ADIE 开放A D中断BCFSTATUS PR0 选择页面0MOVLW0 xC1 RC时钟 打开A D转换器 选中通道0MOVWFADCON0 A D时钟为RC RA0作A D输入等BCFPIR1 ADIF 清A D中断标志位BSFINTCON PEIE 开放外围功能部件中断BSFINTCON GIE 开放总中断BSFADCON0 GO 启动A D转换 2020 2 24 56 PIC系列微控制器指令系统 指令格式与寻址方式 标号操作码助记符操作数1 操作数2 注释LableBSFSTATUS PRO 选择页面1 立即数寻址MOVLW0 x5A 5Ah送W寄存器寄存器间接寻址 将操作数的地址放在寄存器FSR中 然后通过间接寄存器INDF进行间接寻址 直接寻址MOVFREG1 0 把寄存器EG1中的数据送W寄存器位寻址BCFREG1 0 把寄存器REG1的D0位清零 2020 2 24 57 PIC系列微控制器指令系统 指令分类 字节操作类指令位操作类指令立即数操作和控制操作类基础级PIC16C5X系列芯片共有33条指令 每条指令字长12位 中档PIC16C6X 7X 8X系列芯片有指令35条 每条指令字长14位 高档PIC17CXX系列芯片有指令55条 每条指令字长16位 2020 2 24 58 PIC单片机的程序设计应用示例 简易四路抢答器 采用端口RB电平变化中断的应用实例 2020 2 24 59 PIC单片机的程序设计应用示例 简易四路抢答器 主程序流程图 采用端口RB电平变化中断的应用实例 START 设置RC端口为输出 设置RB端口为输入 INT RB及总中断使能 寄存器赋初值 置RC口输出低电平 RB端口锁定基准电平 清除RB口中断标志 进入睡眠状态等待中断 有中断转服务子程序 END 2020 2 24 60 PIC单片机的程序设计应用示例 无线传输的信号采集应用 2020 2 24 61 PIC单片机的程序设计应用示例 电动自行车无刷电机控制器应用 U V W 位置信号 手柄电压 刹车信号 巡航定速 欠压信号 微处理器芯片 PIC16F72 下桥驱动信号 上桥驱动信号 PWM信号 上下桥驱动电路组 电池组 电机 电机霍尔 电流取样处理 ABC 2020 2 24 62 谢谢