[PIC] Blinking a LED

Introduction

本文說明如何控制 LED 讓燈號閃爍。

Highlights

本文討論下列項目:

• 控制 LED 讓燈號閃爍
• 使用 C18 Delay Functions 延遲時間
• 使用 Timer 與 Interrupt 控制 LED 燈號

看完本文後，你將可以完成下列工作:

• 使用 C18 Delay Functions 延遲時間
• 使用 MPLAB SIM 計算程式執行的時間
• 計算 Timer 計數值
• 撰寫中斷處理函式 - ISR (Interrupt Service Routine)

建立 Project

底下有數個版本的 LED 燈號控制程式範例，請參考 [PIC] Create a New Project with MPLAB 建立各個專案。

以 LED Version 1 為例，使用 MPLAB IDE 的 Project Wizard 建立 LED1 Project 的步驟如下:

• Project Wizard Step One 視窗: 在 “Device” 下列選單中選擇 MCU，例如“PIC18F46K20”
• Project Wizard Step Three 視窗: 在 “Create New Project File” 欄位中輸入 C:\MyProjects\LED1\LED1
• 在 Summary 視窗上按下完成，一個新的 Project 跟 Workspace 就產生了
• 點 Configure>Configuration Bits，確認 Configuration bits 的設定是正確的
• 點 File>New 建立一個新檔
• 點 File>Save As… 把檔案存起來，命名為 LED.c，放在 C:\MyProjects\LED1 資料夾裏
• 將範例程式碼複製到 LED.c 裏
• 在 Project Window 中，將 LED.c 檔加到 Project 的 source directory 裏
• 在 Program Tool Bar 上，點 Program target device 鈕將程式燒錄到 MCU 中，並點 Release from Reset 鈕執行範例程式
• 若 MCU 燈號有在閃爍，代表程式有成功執行。

LED 燈號控制 Version 1

程式範例

程式說明:

• 定義 nMCU_LED 燈號在 RA4 腳位上
• 進入 while 無窮迴圈，利用 for 迴圈延遲一段時間，然後切換 nMCU_LED 燈號的開關

LED 燈號控制 Version 2

程式範例

程式說明:

• 利用 Delay10KTCyx(160) 產生 100ms 的延遲
• Delay10KTCYx() 是 C18 Library 的一個 Delay function，可以用來產生 10K 個 instruction cycles 的延遲。除了 Delay10KTCYx() 外，C18 還有其它 delay functions:

• 為什麼 Delay10KTCYx(160) 可以產生 100ms 的延遲？答：
  • 以 PIC18F46K20 為例，它的 Fosc 是 64MHz，執行一個指令所需時間為: 1/Fosc/4 = 1/64MHz/4 = 0.0625us。
  • 160 * 10K = 1600K 個 Instruction cycles
  • 所以 Delay10KTCYx(160) 的執行時間為: 1600K * 0.0625us = 100000us = 100ms

什麼是 MPLAB SIM

• MPLAB SIM(Simulator) 可以模擬各種 PIC/dsPIC microcontrollers
• 使用 MPLAB SIM 可以幫助你:
  • 計算程式執行所花的時間
  • 測試程式運作是否正確，當你手邊沒有板子可用時

利用 MPLAB SIM 計算程式執行的時間

• 按 F10 編譯程式
• 點 Debugger>Select Tool>MPLAB SIM 啟動 MPLAB SIM
• 點 Debugger>Settings 打開 Simulator Settings 視窗
• 在 Processsor Frequency 欄輸入 64，將 MCU 頻率設為 64MHz，如下圖:

• 點 Debugger>Stop Watch，Stop Watch 視窗就會顯示在畫面上:

• 在 Delay10KTCYx(160); 這行按右鍵，點 Set BreakPoint，此時程式碼視窗左方會出現一個紅色小圖示，上面寫個 B，表示這邊有個 BreakPoint，如下圖:

• 按下 Debug Toolbar 上的 Run 鈕執行程式:

• 程式會執行到 Delay10KTCYx(160) 這行後停下來，如下圖，Stop Watch 視窗會顯示截至目前為止執行了多少條指令，以及所花費的執行時間:

• 點一下 Stop Watch 視窗的 Zero 鈕
• 按 F8 或點 Debugger>Step Over，讓 MCU 往下走執行完 Delay10KTCYx(160) 這一行
• 觀察 Stop Watch 視窗，看看 StopWatch 執行的 Instruction Cycles 是否為 16000000 條指令，Time(mSec) 是否為 100ms，正常來說結果應如下圖:

LED 燈號控制 Version 3

• 前兩版的程式有個嚴重的瑕疵，每當執行到迴圈中的 delay 程式，MCU 就在那裏 busy wait，什麼事也不做，很浪費資源
• 要避免浪費 MCU 資源，可以利用 Timer 和 Interrupt

範例程式

程式說明:

• PIC18 microcontrollers 的 high interrupt vector 位於 000000008h，利用 #pragma 將 high_interrupt() function 放到 0×08 的位址上
• 利用 #pragma interrupt timer_isr 將 timer_isr() 定義為一個 high priority interrupt service routine. 這麼做的目的是告訴 Compiler 為 timer_isr() 產生一個 RETFIE 指令而不是產生一般的 RETURN 指令。
• 使用 OpenTimer0() 啟動 TMR0 overflow interrupt, 並將 TMR0 設為 internal 16-bit clock, prescale 1:256.
• WriteTimer0 (-(T0_TICKS_PER_100MS)); 這行將 TMR0 計數值設為 -6250。

Timer 計數值的計算

• TOSC = 1/(FOSC/4)
• P18F46K20 為 64MHz, 所以 TOSC = 1/(64MHz/4) = 0.0625us
• 在 1:256 prescaler 下，要讓 Timer0 每 100ms 產生一次 overflow 中斷，須將 Timer0 計數的次數 設為: 100ms/256 * 0.0625us = 6250 Ticks
• 因為 Timer 是累加到超過 0xFFFF 才發生中斷，所以必須寫入 -6250 到 TMR0

LED 燈號控制 Version 4

範例程式

程式說明:

• Timer0 預設是 high priority interrupt
• 如果要改為 low priority interrupt，除了改寫 low interrupt vector 並使用 #pragma interruptlow 定義 ISR 外，還必須進行底下幾個動作:

LED 燈號控制 Version 5

範例程式

程式說明:

• LED Version 5 與 LED Version 4 最大的不同，是利用下列這段程式碼自動算出 Timer0 的計數值，得到的計數值一樣是 -6250:

練習一: 控制燈號速度

• 將底下程式片段加入 LED.c

• 使用 volatile 宣告變數，目的是告訴 Compiler 不要做最佳化，避免變數狀態不同步。(註：程式主體跟 ISR 都會用到的變數，盡量宣告成 volatile。)
• 使用 #pragma 和 near 宣告變數，目的是告訴 Compiler 將變數放在 Access Bank，這樣可以加速變數的存取速度。
• 將 timer_isr() 改成底下的版本:

• C 的 « bitwise shift operator 會透過 carry Flag，所以改用組語 RLNCF 指令迴轉變數內容，RLNCF 不會經過 Carry Flag。
• 將底下這行程式加入 main() 的起始位置，這行程式目的是設定 MCU 燈號速度:

• 編譯程式，並燒錄到 Device 上。此時 MCU 燈號如果有正常閃爍，代表程式有成功執行。
• 將 MCU 燈號速度改成 FASTEST :

• 編譯程式，並燒錄到 Device 上。此時 MCU 燈號如果閃爍的非常快，代表程式有成功執行。
• 寫一個 setLED() function, 用來設定燈號的速度。
• 完成 setLED() 後，將 main() 設定燈號速度的程式改成底下這樣:

• 燒錄程式，確認燈號是否為正常的閃爍速度。
• 將 setLED(NORMAL) 改成其它速度，如 setLED(FASTEST)，執行程式，確認燈號是否以最快的速度閃爍。

練習二: 控制燈號速度

• 增加一個 nMCU_LED_period 全域變數，nMCU_LED_period 用來控制燈號速度的執行週期
• 修改 setLED()，為 setLED() 增加一個 period 參數，把值寫到 nMCU_LED_period 變數
• 修改 timer_isr()，檢查 nMCU_LED_period 是否非零，否是則倒數 nMCU_LED_period，直到變成 0 時，就將燈號速度還會為 NORMAL
• 將 main() 設定燈號速度的程式改成底下這樣:

• 執行程式，觀查 MCU 燈號的狀態，確認是否「一開始閃爍非常快，過數秒後又跳回正常的閃爍速度」
• 可以按 Reset 鍵重開機器，觀察燈號閃爍的變化。

參考資料

• 下載本文LED 範例程式
• Getting started with MPLAB SIM