Das wichtigste an Mikrocontrollern sind die Ein- und Ausgänge (kurz engl. IOs). Mit ihnen wird gesteuert und mit der Außenwelt kommuniziert. Ein Mikrocontroller hat immer eine bestimmte Anzahl von IO-Pins zur Verfügung. Dabei darf man nicht den Trugschluss ziehen, dass die Anzahl der Pins des Gehäuses gleich der Anzahl der IO-Pins entspricht – Dies ist nicht der Fall! PIC-Mikrocontroller haben grundsätzlich ein 8 Bit breites IO-Register. Das bedeutet pro Register sind (maximal) acht Ein- und/oder Ausgänge vorhanden.

Diese Register haben die Bezeichnung PORT. Mit einem folgenden Buchstaben für den Port (also z.B. PORTA oder PORTE) wird der jeweilige Port weitergehend bezeichnet. Der PIC betrachtet die PORT-Register wie jedes andere Register auch. Nun kann ein Pin natürlich nicht Aus- und Eingang gleichzeitig sein, sondern muss auf eines der beiden definiert bzw. eingestellt werden. Dieses geschieht in den zugehörigen TRIS-Registern. Jedes PORT-Register hat also ein zugehöriges TRIS-Register. Dabei entspricht eine logische “1” (also High) einem Eingang und eine “0” (Low) einem Ausgang. Das lässt sich relativ einfach merken: Die 1 sieht ähnlich aus wie ein groß geschriebenes I und steht folglich für Input. Anders herum ist eine 0 ähnlich einem großem O und steht demnach für Output. Hierzu eine Grafik zum Veranschaulichen:



Die Ein- und Ausgänge des PIC arbeiten i.d.R. mit TTL-Pegeln (Low = 0 Volt, High = 5 Volt). Teilweise werden mehrere Funktionen auf ein und den selben Pin gelegt. So können zum Beispiel bestimmte Eingänge auch als Analogeingang benutzt werden, während man andere Pins wiederum zum Ausgeben eines PWM-Signals verwenden kann. Es gibt eine Vielzahl von Funktionen, die sich von PIC zu PIC unterscheiden und beim Programmieren bzw. beim Entwerfen des Schaltplans zur Schaltung berücksichtigt werden müssen. Vergisst man z. B. bei einem PIC zu Beginn die Eingänge von Analog auf Digital umzuschalten, dann funktioniert unter Umständen das Programm nicht wie man es eigentlich erwarten würde.

Des Weiteren ist es wichtig zu beachten, dass ein Pin eines Mikrocontrollers nur einen begrenzt hohen Strom liefern kann. Am Beispiel des PIC16F62x liegt dieser Wert bei maximal 25 mA. Weiter gibt es einen Gesamt-Maximalstrom, der für den gesamtem PIC gilt (Summe aller Teilströme). Die Infos dazu findet ihr im Datenblatt unter Electrical Specification. Und genau aus diesen Gründen dürfen (relativ) große Lasten nicht direkt an den Mikrocontroller. Dieser Abschnitt sollte nicht falsch verstanden werden: Man kann eine Last schon mit einem Vorwiderstand direkt an einen IO des uC anschließen, man muss dabei aber beachten das der Strom, den die Last benötigt den maximalen Wert des Pins nicht überschreitet. Wenn Ihr in eurem Projekt zum Beispiel eine normale grüne/gelbe/rote LED ansteuern möchtet kann diese natürlich direkt (mit Vorwiderstand) an einen IO angeschlossen werden. Bei größeren Lasten bietet es sich an eine Treiberstufe zu verwenden. Hier wird die Last über einen Transistor oder wahlweise FET geschaltet. Der Strom wird somit direkt von der Spannungsversorgung bereit gestellt.

LEDs können je nach Strombedarf direkt vom Controller gespeist werden. Wenn Ihr jedoch stärkere LEDs ansteuern möchtet (z.B. Hochleistungs-LEDs), versteht es sich von selbst, dass der PIC diesen Strom nicht liefern kann.

In der Abbildung ist eine klassische Treiberstufe mit einem NPN-Transistor zu sehen. Sobald der Mikrocontroller seinen Ausgang auf 5 V anhebt,  wird das Potential an der Basis positiver als das am Emitter. Es fließt ein geringer Basisstrom aus dem Controller in den Transistor hinein. Der Transistor beginnt zu leiten. Sobald der Mikrocontroller sein Potential auf Masse zieht (Low) wird die LED ausgeschaltet. Durch den µC fließt somit nur ein minimaler (Basis-)Strom. Wenn Ihr besonders sparsam arbeiten möchtet, dann könnt Ihr statt des Transistors auch einen MOSFET verwenden. Dieser wird nicht mit Strom, sondern mit Spannung gesteuert.

Alle PIC Typen in der Übersicht

Wir werden in diesem Tutorial lediglich die PIC16F und vor allem die PIC18F besprechen. Um einen Überblick über die Typen-Vielfalt zu erhalten, dient die nachfolgende Tabelle als Übersicht.

DATENBREITE KERN SPANNUNG DSP
PIC10F 8 Bit 12 Bit 2,0 – 5,5V Nein
PIC12F 8 Bit 14 Bit 2,0 – 5,5V Nein
PIC16F 8 Bit 14 Bit 2,0 – 5,5V Nein
PIC18F 8 Bit 16 Bit 1,8 – 5,5V Nein
PIC24F 16 Bit 24 Bit 2,2 – 3,6V Nein
dsPIC30F 16 Bit 24 Bit 2,5 – 5,5V Ja
dsPIC33F 16 Bit 24 Bit 3,0 – 3,6V Ja
PIC32M 32 Bit 32 Bit 2,3 – 3,6V Nein

Im folgenden wollen wir etwas Licht ins dunkle bringen. Was bedeuten folgende Begrifflichkeiten und worauf sollte man bei der Wahl des PIC achten?

Programm- Speicher

Gibt an wie viel Speicherplatz der PIC für Befehle, also euer eigentliches Programm, zur Verfügung hat. Hat ein PIC die Bezeichnung 4k, dann hat er 4096 Speicherplätze für Befehle mit der Größe seines Kernes. Bei der Auswahl des Controllers sollte man generell nie zu knapp planen. Lieber einen Typen mit etwas mehr Speicher auswählen und bei Bedarf die entsprechenden Reserven haben.

Pins

Gibt an wie viel Pins das Gehäuse des PIC insgesamt hat. Dieser Wert steht nur bedingt im Zusammenhang mit der zur Verfügung stehenden Anzahl an Ein- und Ausgängen. Diese Größe liefert also lediglich eine Auskunft über das Gehäuse.

I/O-Pins

Dies ist die Tatsächliche Angabe über die Anzahl an Ein- und Ausgängen die dem Anwender zur Verfügung stehen. Hier sollte man jedoch zusätzlich beachten, dass es vorkommen kann, dass ein Pin nur als sogenannter open collector ausgeführt ist und dann nur mit Hilfe eines Pull-up-Widerstandes als richtiger Ausgang arbeiten kann (Potential auch auf High möglich).

ADC

In der Regel besitzt ein PIC eine Einheit um analoge Spannungen in einen digitalen Wert umzusetzen. Die Angabe über die ADCs dient zur Orientierung an wie viel verschiedenen IO-Pins diese analoge Spannung dafür angelegt werden kann. Der Controller bzw. der Umsetzer greift sich die Spannung dann von diesem Pin ab.

USART (SCI)

Der Begriff USART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) beschreibt eine serielle Schnittstelle. Diese kann zum Beispielals RS232 verwenden werden um mit anderen Modulen zu kommunizieren.

SSP (MSSP)

Die synchrone serielle Schnittstelle, kurz SSP, bietet einem die Möglichkeit eine SPI (Seriel Peripheral Interface) oder I2C (Inter-Integrated Circuit) zu realisieren.

(E)CCP

Anzahl der Capture/Compare/PWM-Module. Mit diesen Modulen lassen sich Impulse messen und erzeugen. Außerdem können pulsweitenmodulierte (kurz PWM) Signale ausgegeben werden.

Timer

Timer sind so ziemlich das wichtigste Instrument bei der Softwareentwicklung auf Mikrocontrollern. Hier wird angegeben über wie viele Hardware-Timer der jeweilige PIC verfügt. Dabei wird zwischen verschiedenen Größen (8 oder 16 Bit) unterschieden.

nanoWatt XLP

Eine Bezeichnung für eine Stromspartechnologie. Diese PIC-Typen arbeiten üblicherweise mit einer Versorgungsspannung von deutlich unterhalb von 5 Volt (zum Beispiel 3,3 V). Die meisten XLP-Typen können jedoch auch nach wie vor mit 5V betrieben werden.

Hardware und Module

In diesem Kapitel gehe ich auf die grundlegendsten Hardwaremodule eines PIC ein und versuche diese zu grob zu erläutern. Dabei versteht es sich von selbst, dass Ihr das hier gelesene nur durch ausprobieren erlernen und verfestigen könnt. Es gilt: Learning by doing. Auf der folgenden Grafik seht Ihr zum Beispiel was ein PIC18F45K22 so alles an Hardware zu bieten hat.

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Die Timer

Ein PIC beinhaltet verschiedene Ausführungen von Timern. Was kann man mit Timern machen? Timer sind die wichtigste Peripherie die ein Mikrocontroller besitzt. Man kann mit ihnen zum Beispiel die Länge eines Impulses zählen, Impulse exakter Länge ausgeben, Zeitbasen erzeugen, Programmfunktionen ansteuern und so weiter und so fort. Das entscheidende an Hardware-Timern ist, dass sie völlig autark, unabhängig von der CPU arbeiten. Wird ein Timer einmal vom PIC gestartet läuft er ununterbrochen fort. Der PIC kann während dessen andere Aufgaben parallel bearbeiten. Und genau das ist der große Vorteil von Hardware-Timern. Betrachten wir die einzelnen Timer im Detail.

Timer0

Der Timer0 ist bei allen PIC vorhanden. Es handelt sich hierbei um einen einfachen 8 Bit Timer*. Was bedeutet 8 Bit Timer? Das bedeutet, dass dieser Timer von 0 bis 255 zählen kann. Das Zählregister ist also 8 Bit breit, siehe:

*Bei vielen PIC-Typen kann der Timer0 auch im 16-Bit-Modus betrieben werden.

Wertigkeit = 2^x 128 64 32 16 8 4 2 1
Bitnummer (x) 7 6 5 4 3 2 1 0

Ein Bit kann ausschließlich die Werte 0 oder 1 annehmen. Wenn alle Bits mit einer 0 gefüllt sind, so ist der Zählerstand (im dezimalen Zahlensystem) also 0. Wenn alle Bits eine 1 beinhalten ergibt das einen Wert von 255 und dieser ergibt sich wie folgt:

2^7 + 2^6 + 2^5 + 2^4 +2^3 + 2^2 + 2^1 + 2^0 = 255

Wer an dieser Stelle Schwierigkeiten hat das binäre Zahlensystem nachzuvollziehen, dem sei folgender Artikel ans Herz gelegt, der die verschiedenen Zahlensysteme sehr anschaulich erklärt. Das Verständnis zu den Zahlensystemen (vorrangig Binär, Dezimal und Hexadezimal) ist unabdingbar in der Mikrocontroller-Programmierung.

Der Timer0 kann teilweise auch als 16 Bit Timer verwendet werden. Außerdem hat man die Wahl zwischen Timer und Counter. Der Timer0 erhält seinen Takt entweder über den Pin RA4 oder er arbeitet mit ¼ des PIC Taktes. Wobei er diesen Takt durch einen Vorteiler in 8 Stufen teilen kann. Der Vorteiler lässt sich zwischen den Teiler mit bis zu 1/2 und 1/256 wählen. Der Timer0 beginnt bei 0 zu zählen und zählt bis 255 rauf. Bei einem Überlauf, also wenn nach dem Zählerstand 255 wieder um eins hoch gezählt wird, wird das Bit T0IF im Register INTCON gesetzt. Durch das Setzen dieses Flags kann ein Interrupt vom Controller ausgelöst werden. Der aktuelle Zählerstand des Timer0 steht im Register TMR0 und kann gelesen sowie beschrieben werden. Der Timer0 wird im T0CON Register konfiguriert, siehe dazu das Datenblatt des jeweiligen PIC.

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Damit der Interrupt des Timer0 benutzt werden kann, muss das GIE Bit (global interrupt enable) gesetzt werden. Dieses Bit ist vorhanden um alle Interrupts zu erlauben oder zu verbieten. Wenn das GIE Bit gelöscht ist, kann kein Interrupt ausgeführt werden! Ausnahmen bestätigen die Regel: Wird im Programm das unterscheiden verschiedener Interrupt-Prioritäten erlaubt, so gibt es zwei globale Enable-Bits: Eines für niedrig priorisierte und eines für hoch priorisierte Interrupts. Der Timer0 wird mit folgenden Bits im T0CON Register eingestellt:

BIT 7  BIT 0
TMR0ON T08BIT T0CS T0SE  PSA  T0PS<2:0>

T0PS<2:0> (Timer0 Prescaler Select bits)

Mit den Bits PS0 bis PS2 wird der Vorteiler für den Timer0 eingestellt. Er lässt sich in acht Schritten von \frac{1}{2} bis hin zu \frac{1}{256} einstellen, wobei PS2…PS0 = ‘000’ einem Vorteiler von \frac{1}{2}  und ‘111’ einem Vorteiler von \frac{1}{256} entspricht. Die Zwischenstufen sind immer der halbe bzw. doppelte Teiler.

PSA (Prescaler Assignment bit)

Mit diesem Bit kann man den Vorteiler für den Timer0 einschalten PSA = ‘0’ oder ausschalten PSA = ‘1’. Wenn der Vorteiler ausgeschaltet ist, arbeitet der Timer0 direkt mit dem Takt des ¼ des PIC Taktes.

T0SE (Timer0 Source Edge Select bit)

Diese Option ist nur interessant, wenn Ihr den Timer0 mit einem Takt über den Pin RA4 versorgt. Mit diesem Steuerbit entscheidet Ihr wann der PIC den Timer0 um eins weiterzählen lässt. Und zwar wird zwischen dem Inkrementieren bei steigender (0) oder fallender Taktflanke (1) unterschieden.

T0SC (Timer0 Clock Source Select bit)

Hier wird zwischen den beiden Taktquellen unterschieden: Interner Takt (0), also ¼ des PIC Taktes oder externer Takt über RA4 (1).

T08BIT (Timer0 8-bit/16-bit Control bit)

Wird dieses Bit gesetzt, arbeitet der Timer0 im 8-Bit-Modus. Wird es hingegen gelöscht arbeitet der Timer0 einem 16 Bit breiten Zählerregister.

TMR0ON (Timer0 On/Off Control bit)

Der Name verrät es schon, mit diesem Bit kann der Timer0 gestartet (1) oder angehalten (0) werden.

Der Vollständigkeit halber möchte Ich an dieser Stelle auch noch das Blockschaltbild für den Timer0 im 16 Bit Modus angeben.

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Im 16 Bit Modus steht der Zählerstand in den Registern TMR0L und der höherwertige Teil in TMR0H. Zusammen ergibt sich somit der 16 Bit Zählerstand des Timers.

Timer1/3/5

Die Timer1, 3 und 5 sind 16 Bit Timer. Das heißt, dass diese von 0 bis 65535 zählen können. Oder in hexadezimaler Schreibweise: 0x0000 bis 0xFFFF. Die Timer können ihren Takt mit dem sie zählen, entweder über den internen Quarztakt beziehen oder aber wie der Timer0 über IO-Pin(s) (TxCKI oder SOSCI/SOSCO) des PIC. Sobald der Timer überläuft, setzt er das Bit TMRxIF im PIR1/2/5 Register, welches ein Interrupt auslösen kann. Damit die Timer überhaupt einen Interrupt auslösen können, müssen die entsprechenden Enable-Bits TMRxIE im PIE1/2/5 Register gesetzt werden. Des Weiteren haben die Bits PEIE/GIEL sowie GIE/GIEH im INTCON Register einen Einfluss auf den Interrupt. Da die Timer 16-Bit-Timer sind, der PIC aber nur 8-Bit-Register hat, werden für das Zählen zwei Register benötigt. Das sind die Register TMRxL und TMRxH. Im Register TMRxL steht dementsprechend der niederwertige Teil und in TMRxH der höherwertige. Man kann den Zählstand jederzeit auslesen oder mit einem gewünschten Wert beschreiben.

Die Timer werden mit folgenden Bits im Register TxCON eingestellt. Das Register findet Ihr im Datenblatt unter TxCON, da die Steuerung für die Timer1, 3 und 5 identisch ist.

BIT 7 BIT 0
TMRxCS<1:0> TxCKPS<1:0> TxSOSCEN \overline{TxSYNC}  TxRD16  TMRxON

TMRxON

Das Bit schaltet den TimerX ein (1) oder aus (0).

TxRD16

Hier könnt Ihr zwischen Lesen/Schreiben in einer 16 Bit Operation (1) oder in zwei 8 Bit Operationen (0) umschalten.

TxSYNC

Mit diesem Bit kann eine Synchronisation des externen Taktes mit dem internen durchgeführt werden. Dieses Bit hat folglich keine Funktion, wenn der Takt nicht von extern kommt. Dieses Bit ist also nur relevant, wenn TMRxCS<1:0> auf ‘1X’ steht, wobei X beliebig ist.

T1xSOSCEN

Wenn TMRxCS<1:0> auf ’10’ gesetzt ist, könnt Ihr zwischen Taktspeisung am Pin TxCKI (0) oder an SOSCI/SOSCO Pins (1) wählen.

TxCKPS<1:0>

Ähnlich wie beim Timer0 kann man dem Timer1 einen Vorteiler vorschalten, welcher den Takt zum Zählen entsprechend teilt. Der Vorteiler lässt sich in vier Stufen einstellen wobei T1CKPS0/1 = ’00’ einem Vorteiler von \frac{1}{1} entspricht und ’11’ hingegen \frac{1}{8}.

TMRxCS<1:0>

Mit diesen beiden Bits wählt Ihr die Quelle des Taktes für den TimerX. Mit ’00’ arbeitet der jeweilige Timer mit ¼ des PIC Taktes, mit ’01’ bezieht er den direkten Takt des Systems ohne Teilung, mit ’10’ kommt der Takt vom Pin oder Oszillator (siehe TxSOSCEN) und die Einstellung ’11’ wird nicht verwendet bzw. ist reserviert.

Die Timer können verwendet werden um den PIC aus dem Sleep-Zustand zu holen. Damit der Timer1/3/5 den PIC aufwecken kann muss er im asynchronen Modus arbeiten, sprich er bekommt seinen Takt von extern. Sobald der Timer überläuft wird der PIC geweckt.

Sekunden Basis mit Timer1 erstellen

Da man dem Timer1 einen externen Takt anschließen kann, hat man mit einem Uhrenquarz die Möglichkeit eine 1 Sekunden Basis zu schaffen. Ein Uhrenquarz wird wie der normale Quarz (für die Taktversorgung des PIC) an die Pins T1OSO und T1OSI angeschlossen. Dann bekommt der Quarz noch pro Beinchen einen Kondensator (10pF bei dem verlinkten Typ) gegen Masse spendiert. Der Timer1 zählt nun mit einem 32.768 Hz Takt, was als Zahl genau 0x8000 entspricht. Also brauch der Timer1 für einen Überlauf (Intterrupt) von 0x8000 bis zum Überlauf (genau)eine Sekunde. Somit hat man zum Beispiel die Zeitbasis für eine Uhr geschaffen. Der Timer muss bei Überlauf immer mit dem Wert 0x8000 +/- vorgeladen werden. Dabei kann der Wert angepasst werden, falls die Zeit vor oder nachläuft.

Das Vorgehen nochmal zusammengefasst:

  1. Timer1 konfigurieren (externen Takt auswählen, Syncronisation aus) (T1CON)
  2. Den Interrupt des TMR1 konfigurieren (PIE1 und IPR1)
  3. Im Interrupt lediglich ein Flag setzten (+1 Sekunde-Merker)*
  4. Zählregister wieder auf 0x80 und 0x00 setzten (auch im Interrupt)
  5. Schritte 3 und 4 wiederholen sich automatisch durch den Interrupt

* Die Interrupt-Service-Routine (kurz ISR: So nennt man die Funktion, die aufgerufen wird, wenn ein Interrupt ausgelöst wurde) sollte immer so kurz wie möglich gestaltet werden. Keinesfalls werden Funktionsaufrufe ausgeführt! Wir setzten hier lediglich ein Flag, setzen die Zählregister wieder auf ihre Startwerte und löschen das Flag, das den Interrupt ausgelöst hat. Durch das Flag, welches wir gesetzt haben können wir im normalen Programm sehen, das eine Sekunde vergangen ist und entsprechend fortfahren.

Timer2/4/6

Die Timer2/4 und 6 sind drei identische 8 Bit Timer. Diese Timer sind wie der Timer0 wieder als 8 Bit Timer ausgeführt. Allerdings unterscheiden sie sich in einem entscheidenden Punkt. Die Timer 2,4 und 6 verfügen neben einem Vorteiler (Prescaler) zusätzlich über einen Nachteiler (Postscaler). Die folgende Grafik zeigt das entsprechende Blockdiagramm.

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Im Gegensatz zu den Timern 0 und 1/3 und 5, können die Timer2/4 und 6 nur mit den internen PIC Takt arbeiten. Genauer gesagt mit 1/4 der Frequenz des extern angeschlossenen Quarz (Fosc siehe auch hier). Der aktuelle Zählerstatus steht im TMRx Register. Genau wie bei den anderen Timern, kann der aktuelle Zählerstand sowohl ausgelesen als auch verändert werden.

Eine Besonderheit bei den Timern 2,4 und 6 ist, dass sich der Zählerwert dynamisch begrenzen lässt. Über das Register PRx kann ein Wert vorgegeben werden. Der aktuelle Zählerstand des TMRx Registers wird über einen Komparator mit dem Inhalt des PRx Registers verglichen. Wenn die Registerinhalte übereinstimmen startet der Timer von vorn.

Die Timer2/4/6 lassen sich unter anderem auch zum Erzeugen von PWM Signalen nutzen. Dabei arbeiten sie mit dem ECCP-Modul zusammen. Sobald der Timer überläuft, wird an das Modul ein Signal gesendet.

Die Timer werden mit folgenden Bits im Register TxCON eingestellt. Hierbei steht das “x” für den gewünschten Timer (2, 4 oder 6).

BIT 7 BIT 0
 TxOUTPS<3:0>  TMRxON  TxCKPS<1:0>

TxCKPS<1:0>

Hier kann der Vorteiler eingestellt werden. Ein Wert von ’00’ entspricht einem Vorteiler von \frac{1}{1} und ’10’ einem Vorteiler von \frac{1}{16}.

TMRxON

Mit dem Setzen dieses Bits wird der Timer gestartet. Ein löschen (Bit zu 0 setzen) bewirkt, dass der Timer angehalten wird bzw. mit dem Zählen aufhört.

TxOUTPS<3:0>

Hier stellt Ihr den Nachteiler (Postscaler) ein, dieser reicht von \frac{1}{1} mit einer Bitkombination von ‘0000’ bis hin zu \frac{1}{16} mit ‘1111’

Analog Digital Converter (ADC)

Digital ist ja schön und gut, doch manchmal brauchen wir doch das Zusammenspiel mit der Analogtechnik. Und genau hierfür hat ein PIC Mikrocontroller analoge Eingänge. Wie das funktioniert möchte ich euch im folgenden etwas näher erläutern. Die unten stehende Abbildung zeigt in grau dargestellt eine analoge Spannung, welche zu äquidistanten (gleichbleibender Abstand) Zeitpunkten abgetastet wird. Diese Abtastwerte werden mit einem ADC digitalisiert und stehen dann zur weiteren Verarbeitung bereit. Aufgrund der begrenzten Anzahl an Unterscheidungsmöglichkeiten im digitalen, gibt es nicht für jeden analogen Wert einen digitalen. Somit ergibt sich das dargestellte Raster in der Abbildung.

Quelle: Wikipedia

Stellt Euch einmal vor Ihr möchtet mit dem PIC eine Spannung messen um diese auf einem LC-Display anzuzeigen. Die zu messende Spannung kann zum Beispiel von einem analogen Sensor stammen und im Verhältnis zu einer physikalischen Größe stehen (z.B. zur Temperatur). Möglicherweise plant Ihr auch den Bau eines einfachen Voltmeters. Für solche Zwecke könnt Ihr die zu messende Spannung an einen anlogen Eingang des PIC anschließen. Diese haben die Bezeichnung ANx wobei das “x” durch eine Zahl ersetzt wird, die den Pin erkenntlich macht.


Nun kann es ja auch durchaus mal vorkommen, dass Ihr Spannungen messen möchtet, die über den üblichen Bereich der Betriebsspannung des Controllers hinaus reichen. In dem Fall dient im einfachsten Fall der gute alte Spannungsteiler. Dieser sollte so dimensioniert sein, dass die Spannung, die letztendlich am Pin anliegt, nicht größer werden kann als die Betriebsspannung des PIC selber.

Ein Beispiel seht Ihr im Bild links. Der Spannungsteiler teilt die Messspannung durch 2. Somit wäre bei einer Betriebsspannung von 5V eine maximale Messspannung von 10 Volt möglich. Die gemessene Spannung (digitaler Wert) kann im PIC wieder mit 2 multipliziert werden (entspricht einer Bitschiebe-Operation nach links um eine Stelle).


Grundlegendes

Der Analog-Digital-Konverter des PIC hat eine Auflösung von 10 Bit. Ein PIC hat nur einen ADC Modul. Er kann aber von verschiedenen Pins des µC angesprochen werden. Wenn ein Eingangspin Zugriff auf den ADC hat, so wird er auch als ANx bezeichnet. Somit kann der PIC die maximale Spannung in 1024 Werte (10 Bit) einteilen – er quantisiert. Bei einer maximal zulässigen Messspannung von 5V ergibt dies eine Auflösung von circa 5 mV pro Bit.

Nun kann es ja durchaus vorkommen, dass nur ein kleiner Spannungsbereich sehr genau gemessen werden soll. Ein Beispiel: Es werden 0…2 Volt als Messspannung benötigt. Man kann dem PIC mitteilen, dass die Referenzspannung für die AD-Umsetzung nicht mehr dem Standard von VDD (und Vss) entspricht, sondern die Referenzspannung an AN2 (VREF -) und AN3 (VREF +) des PIC entnehmen. So kann man die Auflösung (welche vorher auf den gesamten Bereich von 5V aufgespannt wurde) nun auf einen kleineren Bereich einstellen und somit die Voltzahl pro Bit verringern – die Auflösung erhöhen.

Dankeschön an Leser Stefan, für folgenden Beitrag:

Um die maximale Genauigkeit mit einem 5V-PIC zu erreichen, sind, je nach Typ, zwischen 2,5V und 3,0V Referenzspannung mindestens notwendig (sollte als Parameter AD06 und AD06A in den elektrischen Spezifikationen aufgeführt sein).

Im Folgenden wollen wir uns ansehen, wie der Analog-Digital-Umsetzer (ADU/ADC) eines PIC konfiguriert wird. Folgende Bits im den Registern ANSEL, ADCON0 und ADCON1 sind dafür nötig:

ANSEL (Analog Select Register)


Im ANSEL Register werden die gewünschten IOs ausgewählt, die als analoge Eingänge verwendet werden sollen. Wenn ein PIC mehrere Eingänge besitzt, die analog verwendet werden können, so hat er dementsprechend auch mehrere ANSEL-Register. Diese werden alphabetisch geführt (ANSELA, ANSELB usw.). Dabei sind die abschließenden Buchstaben korresponierend mit den Ports in denen die Eingänge liegen. Somit ist die folgende Konfiguration eher exemplarisch zu verstehen und hängt mehr vom verwendeten PIC ab.

 BIT 7 BIT 0
 ANS7 \ldots \ldots ANS0

Eine “1” im entsprechenden Bit setzt den IO Pins als analogen Eingang. Wenn ein Pin als analoger Eingang gewählt wird, dann muss das entsprechende TRIS Bit ebenfalls auf “1” gesetzt werden! Wird das Bit im ANSEL-Register hingegen gelöscht, so ist der Eingang auf digital geschaltet. Ein analoger Eingang kann nicht mehr auf logische Pegel abgefragt werden.

ADCON0 (A/D Control Register 0)


Im ADCON0-Register kann das ADC-Modul des PIC generell ein- oder ausgeschaltet werden. Außerdem beinhaltet das Register das Statusflag des ADC. Zusätzlich werden übrige Bits zum selektieren einzelner Kanäle (Auswahl eines ANx zum messen) verwendet.

BIT 7  BIT 6…2 BIT 1 BIT 0
 –  CHS<4:0> \overline{GO/DONE} ADON

ADON (ADC Enable bit)

Dieses Bit aktiviert (1) oder deaktiviert (0) den Analog-Digital-Umsetzer

GO/DONE ( A/D Conversion Status bit)

Durch das setzen dieses Bits wird eine AD-Umsetzung gestartet. Das Bit bleibt dann solange High bis der PIC mit der Messung/Umsetzung fertig ist. Man muss dieses Bit also immer auf ‘0’ prüfen, wenn man eine neue Messung starten oder die aktuelle auswerten möchte. Der ADC kann auch einen Interrupt auslösen. Wenn der ADC entsprechend konfiguriert ist setzt er nach beendeter Umsetzung das ADIF Bit im PIR1 Register.

CHS<4:0> (Analog Channel Select bits)

Mit diesen Bits wird der ANx gewählt an dem die Analog-Ditial-Umsetzung stattfinden soll.

ADCON1 (A/D Control Register 1)


In diesem Register lassen sich weitere Einstellungen für den ADC vornehmen. So lässt sich zum Beispiel eine alternative Referenz (Spannung) auswählen. Standardmäßig sind \text{V}_{\text{DD}} und GND als Referenz voreingestellt.

BIT 7 BIT 6 BIT 7 BIT 6 BIT 3…2 BIT 1…0
TRIGSEL PVCFG<1:0> NVCFG<1:0>

NVCFG<1:0> (Negative Voltage Reference Configuration bits)

Mit diesen beiden Bits wird die negative Referenzspannung eingestellt bzw. gewählt. Mit ’00’ wird die interne Spannung AVss gewählt. Mit ’01’ wird die Spannung vom externen Pin \text{V_{REF}} entnommen. Durch setzen auf ’10’ oder ’11’ wird beides mal AVss gewählt, da diese beiden Einstellungen nicht belegt bzw. reserviert sind.

PVCFG0/1 (Positive Voltage Reference Configuration bits)

Mit diesen beiden Bits wird die positive Referenzspannung eingestellt bzw. gewählt. Mit ’00’ wird die interne Spannung \text{AV}_{\text{DD}} gewählt. Mit ’01’ wird die Spannung vom externen Pin \text{V}_{\text{REF+}} entnommen. Durch setzen auf ’10’ wird die positive Referenz mit dem internen Signal FVR BUF2 verbunden. Mit ’11’ wird \text{AV}_{\text{DD}} gewählt, da diese Einstellungen nicht belegt bzw. reserviert ist.

TRIGSEL (Special Trigger Select bit)

. . .

Acquisition time

Bei der Geschwindigkeit der Umsetzung sollte man beachten, dass der PIC genügend Zeit braucht um eine Umsetzung durchzuführen. Er muss hierzu während des Verfahrens einen im PIC befindlichen Kondensator, auf die am Eingang anliegende Spannung aufladen. So liegt es nahe, dass wenn man hier zu schnell zu Werke geht, eine fehlerhafte Messung durchgeführt wird. Im Datenblatt des PIC gibt es eine genaue Formel zur Berechnung dieser Zeit. Laut Sprut ist eine Zeit von ca. 40 µS ausreichend.

Das Ergebnis einer AD-Umsetzung

Das 10 Bit große Ergebnis einer Analog-Digital-Umsetzung steht in den beiden Registern ADRESL und ADRESH. Diese beiden Register wären  theoretisch 16 Bit lang, da der ADC des PIC aber “nur” eine Auflösung von 10 Bit hat, steht das Ergebnis lediglich in 10 der 16 Bit und zwar entweder rechts- oder linksbündig. Das hängt ganz davon ab, wie wir das Bit ADFM im Register ADCON2 gesetzt haben.

ADCON2 (A/D Control Register 1)


BIT 7 BIT 6 BIT 5…3 BIT 2…0
ADFM  ACQT<2:0> ADCS<2:0>

ADCS<2:0> (A/D Conversion Clock Select bits)

Es findet die Wahl des AD-Taktes statt:

  • 000  Fosc/2
  • 001  Fosc/8
  • 010  Fosc/32
  • 011  Frc
  • 100  Fosc/4
  • 101  Fosc/16
  • 110  Fosc/64
  • 111  Frc

ACQT<2:0> (A/D Acquisition time select bits)

Mit diesen drei Bit wird die Umsetzzeit eingestellt. Diese sollte gut bedacht gewählt werden. Eine zu kurze Zeit führt zu falschen Messwerten

  • 000  0
  • 001  2 TAD
  • 010  4 TAD
  • 011  6 TAD
  • 100  8 TAD
  • 101 12 TAD
  • 110  16 TAD
  • 111  20 TAD

ADFM (A/D Conversion Result Format Select bit)

Mit diesen Bit wird ausgewählt, ob das Ergebnis in ADRESL & ADRESH rechts- (1) oder linksbündig (0) ausgegeben wird.

ADC-Interrupt

Wenn Ihr mit dem Analog-Digital-Converter einen Interrupt auslösen mächtet, müsst Ihr das ADIE-Bit im PIE1 Register setzen. Die Priorität des Interrupt kann mit dem Bit ADIP im Register IPR1 gewählt werden. Das Bit ADIF ist das Interrupt-Flag und muss wie alle Interrupt-Flags, per Software zurück gesetzt werden. Das Bit wird vom PIC gesetzt, sobald eine Messung abgeschlossen wurde. Dieser Interrupt ist übrigens auch in der Lage den PIC aus dem Sleep Modus aufzuwecken.

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