In diesem Teil des PIC18-Tutorials wollen wir uns mehr mit den erweiterten Modulen des PIC beschäftigen. Mit “erweitert” habe ich keine bestimmte Kategorie oder etwa eine Beschreibung der nachfolgenden Module im Sinn, vielmehr sind es die Dinge, die einem als blutiger Anfänger möglicherweise zunächst etwas zusammenzucken lassen. Aber lasst mich Euch eines besseren belehren… Der Inter-Integrated-Curcuit sowie das Seriel-Peripheral-Interface sind wirklich keine Hexerei. Und über das EUSART Interface werdet ihr nur müde schmunzeln – so einfach ist es.

Mit dem Capture/Compare Modul eines PIC lassen sich verschiedene Aufgaben bewältigen. Durch den Capture-Eingang lässt sich der genaue Zeitpunkt bestimmen, an dem ein Signal am Pin CCPx eintrifft. Und der Compare-Modus ist quasi das Pferd von hinten aufgezogen; Hier lässt sich am CCPx zu einem exakt bestimmten Zeitpunkt ein Signal (oder Flanke) erzeugen. Der PWM-Modus hingegen eignet sich zum Erstellen eines pulsweiten modulierten Signals (PWM). Während der Capture- und Compare-Modus den Timer 1, 3 oder 5 verwenden arbeitet der PWM-Modus mit dem Timer 2, 4 oder 6 zusammen. Der Unterschied zwischen CCP und ECCP besteht lediglich darin, dass der ECCP seine Funktion an mehreren IO-Pins bedienen kann.

Pulsweitenmodulation (PWM)

Jeder PIC18 und teilweise auch manche PIC16 besitzen das Capture, Compare, PWM (CCP) Modul mit dem man zusammen mit dem Timer2/4 oder 6 ein pulsweitenmoduliertes Signal (kurz PWM) erzeugen kann. Ich möchte Euch hier kurz erklären wie Ihr mit dem Modul umzugehen habt. Der Timer wird mit 1/4 des am PIC angeschlossenen Quarz-Taktes gespeist und kann zusätzlich noch über einen Vorteiler in drei Stufen geteilt werden (1, 4, 16). Für den PWM-Mode sind folgende Register von Bedeutung: Das Register CCPRxL, das TMRx und das PRx. Während der Timer immer bei 0 beginnt zu zählen wird der aktuelle Zählerstand (TMRx) immer mit dem Wert in PRx und CCPR1x verglichen. Wenn der Zählerstand des Timers dem Wert in CCPRxL entspricht, dann wird der CCPx Ausgang (Pin) gelöscht, also auf Low (0V) gesetzt. Wenn der Zählerwert (TMRx) dem Wert in PRx entspricht, dann wird der Ausgang auf high gesetzt und der Timer beginnt wieder von 0 an zu zählen.

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Es handelt sich hier um eine 10 Bit PWM. Der Timer2/4 und 6 und die PRx sowie CCPRxL Register sind aber nur 8 Bit groß. Daher bekommt das CCPRxL Register zwei zusätzliche Bits spendiert. Diese befinden sich im CCPxCON Register (Bit 4 und 5). Die Periode lässt sich hingegen nur mit 8 Bit einstellen, das Tastverhältnis mit 10 Bit. Der Pin an dem das PWM-Signal ausgegeben werden soll, muss von Euch als Ausgang konfiguriert werden. Hierfür ist das TRIS-Bit zu löschen.

Vorgehensweise:

  1. Timer einstellen
  2. Periode einstellen
  3. Tastverhältnis einstellen
  4. PWM aktivieren

Formel zum Errechnen der Periodendauer:

\text{PWM Period} = \text{[PRx + 1]} \cdot {4} \cdot \text{T}_{\text{OSC}} \cdot \text{(TMRx Prescale)}

Formel zum Errechnen von PRx:

\text{PRx} = \frac{\text{PWM Periode}}{4 \cdot \text{T}_{\text{OSC}} \cdot \text{TMxPS}} - 1

Formel zum Errechnen des Tastverhältnisses:

\text{T} = \frac{\text{CCPRxL + CCPxCON \textless 4:5 \textgreater}}{\text{PRx}}

Durch variieren von CCPRxL + CCPxCON<4:5> könnt Ihr die PWM bzw. den Tastgrad des Signals verändern. So lässt sich zum Beispiel die Hintergrundbeleuchtung für ein LC-Display in Abhängigkeit der Umgebungshelligkeit regeln.

Capture Funktion

Mit der Capture-Funktion des CCP-Moduls eines PIC kann man die exakte Zeit messen, bis ein Pegelwechsel am CCPx Pin eintritt. Das nachfolgende Blockschaltbild verdeutlicht die Funktion.

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Für die Funktion wird der Timer 1/3 oder 5 benötigt. Er zählt die Zeit bis das Ereignis am Pin eintritt. Natürlich muss auch der Timer hierfür entsprechend konfiguriert werden. Wenn alles richtig eingestellt ist, kann man mit dem Timer messen, wann sich etwas am Pin CCPx tut. Wenn es zum Beispiel zu einer steigenden Flanke am Pin kommt, wird der Zählerwert des gewählten Timers in den Registern CCPRxH und CCPRxL gesichert. Welchen Timer man verwenden möchte kann man in den Registern CCPTMRS0 und CCPTMRS1 wählen. Wenn ein Capture, also ein Sichern des Zählerwertes des Timers stattgefunden hat, wird das Flag CCPxIF im Register PIR1/2 oder 4 gesetzt. Dies kann einen Interrupt auslösen.

Den CCPx Pin, den Ihr für diese Funktionalität verwenden möchtet, muss als Eingang (zugehöriges TRIS-Bit setzen) konfiguriert werden!

Für das Standard-CCP-Modul, also nicht ECCP, ist das folgende Register entsprechend zu setzen:

CCPxCON (Standard CCPx Control Register)

BIT 7 BIT 6 BIT 5…4 BIT 3…0
DCxB<1:0> CCPxM<3:0>

CCPxM<3:0> (ECCPx Mode Select bits)

Mit diesen Bits wird eingestellt in welchem Modus sich das CCP Modul befinden soll und ihr könnt einstellen auf welche Ereignisse das Modul reagieren soll: [0100] Jede fallende Flanke [0101] steigende Flanke [0110] 4te steigende Flanke [0111] 16te steigende Flanke Alle anderen Einstellungen sind nicht für den Capture Modus bestimmt.

DCxB<1:0> (PWM Duty Cycle Least Significant bits)

Diese Bits werden im Capture Modus nicht benutzt…

Compare Funktion

Das Compare-Modul ermöglicht es einem ein Signal bzw. einen Flankenwechsel am Pin CCPx zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erzeugen. Der Pin, der für diese Aufgabe verwendet werden soll, muss auf Ausgang (Trisbit gelöscht) konfiguriert werden!

Quelle: Datenblatt des PIC18F45K22

Das Modul arbeitet mit dem Timer 1/3 oder dem Timer 5. In den CCPRx-Registern wird ein Wert eingetragen. Wenn nun der Zählerwert des Timers diesen Wert erreicht hat, wird der Flankenwechsel am Pin CCPx ausgeführt. So sind die Einstellungen zum Compare Modus, am Beispiel des PIC18F45K22 für ein Stanard-CCP (nicht ECCP) Modul einzustellen:

CCPxCON (Standard CCPx Control Register)

BIT 7 BIT 6 BIT 5…4 BIT 3…0
DCxB<1:0> CCPxM<3:0>

CCPxM<3:0> (ECCPx Mode Select bits)

Mit diesen Bits wird eingestellt in welchem Modus sich das CCP Modul befinden soll und ihr könnt einstellen auf welche Ereignisse das Modul reagieren soll: [1000] Pin geht nach eintreten von Low auf High (+CCP1IF) [1001] Pin geht nach eintreten von High auf Low (+CCP1IF) [1010] Ausgang wird nicht verändert (+CCP1IF) [1011] Ausgang wird nicht verändert (+CCP1IF + Timer1 auf 0)

DCxB<1:0> (PWM Duty Cycle Least Significant bits)

Diese Bits werden im Compare Modus nicht benutzt.

Der Captuer Modus kann natürlich auch einen Interrupt erzeugen. Hierbei wird das Flag CCPxIF im PIR1/2 oder 4 Register gesetzt. Sofern der Interrupt eingeschaltet ist, dient das Flag zur Identifikation der Interrupt-Quelle.

Auswahl des Timers

Wie Ihr sicherlich bereits gemerkt habt, könnt Ihr jeweils verschiedene Timer für die Module verwenden. Hier muss natürlich eine Entscheidung getroffen werden. Die Wahl über den zu verwendenden Timer, wird in den Registern CCPTMRS0 und CCPTMRS1 getroffen.

CCPTMRS0

Bit 7…6 Bit 4…3 Bit 1…0
C3TSEL<1:0> C2TSEL<1:0> C1TSEL<1:0>

Nun schauen wir uns die einzelnen Bits des Registers an.

CxTSEL<1:0> (CCPx Timer Selection bits)

Mit diesen Bits wird dem CCP-Modul ein Timer zugewiesen. Dabei reicht das x von 1-5. Hier einmal am Beispiel für das CCP1: 00: Capture/Compare: Timer1, PWM: Timer 2 01: Capture/Compare: Timer3, PWM: Timer 4 10: Capture/Compare: Timer5, PWM: Timer 6 11: –

CCPTMRS1 (PWM Timer Selection Control Register 1)

BIT 7…4 BIT 3…2 BIT 1…0
C5TSEL<1:0> C4TSEL<1:0>

Die Bits haben hier die selbe Bedeutung, wie auch schon im CCPTMRS0 Register (siehe oben). Nur, dass es hier um die Zuweisung für die CCP-Module 4 und 5 geht.

Stack

Die PIC18 Familie besitzt einen 32 Level großen Hardware Stack (vgl. PIC16 verfügen lediglich über einen 8 Level Stack). Der Stack ist ein sogenannter Stapelspeicher, der das “hopping” im Programm überhaupt erst ermöglicht. Im Stack wird bei einem Sprung zu einer Funktion/Unterprogramm die Adresse gesichert von der aus gesprungen wurde. Damit bei vollständiger Abarbeitung des Unterprogramms oder der Funktion wieder an diese Adresse zurück gesprungen werden kann. Dabei ist auch die Sichtbarkeit von Variablen zu beachten.

Angenommen Ihr habt eine globale Variable namens “x”. Nun springt ihr in eine Funktion und definiert hier eine neue Variable, die ebenfalls “x” heißt. Dann ist die globale Variable für die Zeit in der Funktion unsichtbar bleibt aber erhalten und ist bei Rückkehr in die obere Ebene des Stack wieder sichtbar.

Inter-Integrated Circuit (I2C)

Sobald euer PIC über ein Master-Synchronous-Serial-Port-Modul (kurz MSSP) verfügt, könnt Ihr damit einen I2C-Bus aufbauen. Somit kann dann ein gewünschtes Bauteil, das selbstverständlich ebenfalls den I2C-Bus verwenden kann, angesprochen werden.

Der I2C Bus besteht aus zwei Leitungen: Serial Clock (SCL) und Serial Data (SDA). Damit der Bus unabhängig von allen Teilnehmern benutzt werden kann, werden die beiden Busleitungen mit Pullup-Widerständen gegen +5V gezogen und die Teilnehmer sind mit Open-Collector-Ausgängen an den Bus angeschlossen. Somit werden Kurzschlüsse vermieden.

Quelle: http://www.nxp.com/documents/other/UM10204_v5.pdf

Die Namen der Leitungen sind Programm: Auf der SCL-Leitung wird der Takt des Bus übertragen, welcher ausschließlich vom Master erzeugt wird. Der Slave hat lediglich die Möglichkeit den Master-Clock gegen Masse zu ziehen, um zum Beispiel zu signalisieren, dass er mehr Zeit benötigt um seine Aufgaben zu erledigen. Auf der SDA-Leitung werden entsprechend die Datenpakete zum Slave (schreibend) oder vom Slave (lesend) übertragen.

Die einzelnen Bits eines Bytes die auf dem Bus egal ob lesend oder schreibend übertragen werden, fangen immer mit dem MSB (höchstwertigstes Bit) an. Während die SCL-Leitung im High-Zustand ist, darf auf der SDA-Leitung nichts mehr geändert werden (dies würde sonst als Befehl interpretiert). Ein Bit wird mit einem SCL-Impuls übertragen, dazu später mehr. Ihr müsst dem PIC mitteilen mit welcher Taktgeschwindigkeit ihr den IC2 Bus betreiben möchten. Dazu ist es notwendig das Register SSPADD mit einem passenden Teilerwert zu beschreiben. Dieser errechnet sich wie folgt:

\text{SSPAD} = \frac{\text{F}_{\text{OSC}}}{4 \cdot \text{SCL}} - 1

Beispiel anhand eines SCL-Taktes von 50 kHz und einem 8 MHz-Quarz als Taktgeber für den PIC:

\text{SSPAD} = \frac{8\,\text{MHz}}{4 \cdot 50\,\text{kHz}} - 1 = 39

Die Pullup-Widerstände an SDA und SCL dürfen nicht vergessen werden. Andernfalls kann keine Kommunikation zustande kommen.

Start/Stop

Die nachfolgende Grafik zeigt eine Start- und Stop-Sequenze auf dem I2C-Bus. Schauen wir uns einmal an, was es damit auf sich hat.

Quelle: http://www.nxp.com/documents/other/UM10204_v5.pdf

Der I2C-Bus wird im wesentlichen in drei verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben: 3,4 Mbit/s (Highspeed), 400 kbit/s (Fast) und mit 100 kbit/s (Standard). Dabei gilt es auch immer im Datenblatt der verwendeten Slaves zu beachten, welche Taktgeschwindigkeiten diese unterstützen. Zum Beispiel ist es bei einem DS1307 nicht empfehlenswert den Takt oberhalb von 100 kHz (Standard) zu betreiben, da dies die absolute Grenze bei diesem Baustein ist.

Jede Aktion auf dem Bus wird vom Master über die I2C-Start-Sequenz initiiert. Dazu muss sich der Master vergewissern, dass der Bus derzeit frei (SCL und SDA sind high) ist und beginnt dann mit seiner Arbeit. Streng genommen ist das eigentlich nur bei Multi-Master-Systemen notwendig. Für eine Start-Sequenz zieht der Master das Potential von SDA auf low und zwar während SCL auf high ist. In umgekehrter Reihenfolge entspricht das einer Stop-Sequenz.

Neben der Start- und Stop-Sequenz gibt es noch die Restart-Sequenz. Ein Restart kann immer dann ausgeführt werden, wenn man auch eine Stop-Sequenz ausführen dürfte. Verwendet wird der Restart um den Bus nach dem Beenden des aktuellen Transfers zu (be)halten. Vom Effekt her hat der Restart die selbe Auswirkung wie ein Start.

Adressierung

Hat ein Master erst einmal eine Start-Sequenz auf dem Bus eingeleitet, werden alle am Bus angeschlossenen Slaves hellhörig und wollen nun wissen an wen sich der Master richtet. Dafür überträgt der Master nun eine Adresse, die eindeutig zu einem der am Bus angeschlossenen Slaves passt. Alle anderen, deren Adresse nicht mit der ausgesandten übereinstimmt, interessieren sich nun nicht mehr für die folgenden Daten. Die Adresse der Slaves, also die, die vom Master gesendet wird ist anders als die Datenpakete lediglich 7 Bit lang! Das fehlende Bit des Adressbytes ist ein Richtungsbit. Dieses Bit sagt aus ob der Master Daten zum Slave schicken möchte [0] oder ob er Daten vom Slave haben möchte [1]. Da die Adresse auf 7 Bit begrenzt ist folgt, dass sich maximal 128 Teilnehmer (selten gibt es einen 10 Bit Modus) am Bus befinden können. Das Richtungsbit ist stets das niederwertigste Bit!

Acknowledge (ACK)

Immer nachdem 8 Bits übertragen wurden folgt ein ACK oder NACK (not Acknowledge). Dabei handelt es sich also um das 9. Bit einer Übertragung. Das ACK-Bit ist low aktiv. Die nachfolgende Grafik zeigt ein ACK auf dem I2C Bus, siehe 9. Bit.

Quelle: http://www.nxp.com/documents/other/UM10204_v5.pdf

Ein Beispiel: Wenn sich ein Slave durch Übereinstimmung der Adresse angesprochen fühlt quittiert er dieses mit einer ACK-Sequenz (Acknowledge). Die Datenpakete, die dem Adressierungsbyte folgen müssen ebenfalls mit einem ACK vom Slave bestätigt werden. Folgt auf ein gesendetes Byte ein NACK ist die Übertragung fehlgeschlagen und der Master muss die Übertragung dieses Bytes wiederholen. Ein ACK sieht auf dem Bus so aus: Der Master überträgt mit 8 Impulsen auf SCL die einzelnen Bits des Bytes auf SDA (angefangen mit MSB) und erzeugt im Anschluss einen 9. Impuls auf SCL. Wenn der Zustand beim 9. Takt einen Low Zustand auf SDA aufweist (vom Slave auf Low gezogen, nicht vom Master!), dann ist es ein ACK, der Slave ist einverstanden. Ist der Zustand hingegen High, so ist es ein NACK, der Slave ist nicht einverstanden.

Betrachten wir ein weiteres Beispiel: Wenn ein Master Daten von einem Slave erhalten möchte, prüft er zunächst ob der Bus frei ist. Wenn er frei ist, sendet er ein Start gefolgt von der 7 Bit langen Adresse des Slaves (schreibend, also ist Bit #0 = 0) den er ansprechen möchte. Der Slave antwortet mit ACK. Daraufhin sendet der Master i.d.R. eine Adresse eines Registers, das er beim Slave auslesen möchte (das hat nichts mit den I2C-Adressen zu tun). Der Slave quittiert wieder mit ACK. Der Master beendet die Kommunikation mit Stop oder führt ein Restart durch. Nun schickt er erneut die (I2C-)Adresse des Slaves. Aber nun mit der Angabe, dass er lesen möchte, also ist das Bit #0 diesmal eine ‘1’. Der Slave antwortet wieder mit ACK, woraufhin der Slave damit beginnt die Daten, die sich an der Adresse befinden, die ihm der Master zuvor mitgeteilt hat, über den Bus an den Master zu übermitteln (der Master gibt dabei immer den Takt vor). Je nachdem wie viele folgende Register der Master auslesen will quittiert er mit ACK (…noch ein Byte mehr lesen). Wenn der Master genug gelesen hat, beendet er mit einem NACK (das reicht, ich brauche kein weiteres Byte) und folgender Stop-Sequenz.

Hier mal eine Aufzeichnung einer I2C-Kommunikation:

Offensichtlich wird hier ein Teilnehmer mit der Adresse 0xA0 angesprochen, es sollen Daten von ihm gelesen werden (das 9. Bit ist eine ‘1’). Der angesprochene antwortet mit ACK. Danach sieht man, dass der angesprochene Teilnehmer damit beginnt Daten an den Anfragenden auszugeben.

Serial Peripheral Interface (SPI)

Schaut Euch ergänzend auch gerne das Einsteiger-PDF zum SPI Bus von Microchip an. Es ist ziemlich gut erklärt. Das Serial Peripheral Interface (kurz SPI) ist ein von Motorola entwickeltes Bus-System mit einem sehr lockeren Standard für einen synchronen seriellen Datenbus, mit dem digitale Schaltungen nach dem Master-Slave-Prinzip miteinander verbunden werden können. Ein ähnliches Bus-System existiert von National Semiconductor und nennt sich Microwire.

Für den Bus sind die nachfolgend aufgeführte Leitungen notwendig an denen alle Busteilnehmer angeschlossen sind:

  • SDO (zu Englisch Serial Data Out) bzw. MISO oder SOMI (zu Englisch Master in, Slave out)
  • SDI (zu Englisch Serial Data In) bzw. MOSI oder SIMO (zu Englisch Master out, Slave in)
  • SCK (zu Englisch Serial Clock) bzw. SCLK, wird vom Master ausgegeben

Zusätzlich wird für jeden am Bus angeschlossenen Slave eine weitere Leitung benötigt. Diese Leitung wird ¬Slave select (kurz ¬SS) genannt und ist in den meisten Fällen low aktiv. Das bedeutet, dass wenn der Master eine ¬SS-Leitung auf low zieht, dann ist dieser Slave angesprochen und reagiert auf folgende Daten. Die SS Leitung kann durch jeden beliebigen I/O des PIC realisiert werden. Da der SPI Bus, wie zu Beginn dieses Abschnitts bereits erwähnt, sehr locker definiert ist, sind viele Parameter frei konfigurierbar. Das war auch einer der Gründe weshalb sich dieses Bussystem so weit verbreitet hat.

Der SPI Bus beim PIC

Viele PIC unterstützen die Verwendung des SPI Bus. Dafür werden entsprechende Module zur Verfügung gestellt. Es kann entweder das SSP oder das MSSP Modul verwendet werden. Eine Datenübertragung findet logischerweise nur statt, wenn der Clock aktiv ist. Wobei wir auch bei einem weiteren wichtigem Punkt sind: Der Takt auf der SCK Leitung wird ausschließlich vom Master generiert. Um das SPI bzw. das SSP/MSSP Modul nutzen zu können ist es vorweg nötig das Modul entsprechend zu konfigurieren. Das zuständige Register ist das SSPCON Register:

  • SSPOV: Wird gesetzt wenn es einen Überlauf gab und muss vom Programmierer zurück gesetzt werden.
  • SSPEN: Ein-/ Ausschalten (Strom sparen) des SSP-Moduls.
  • CKP: Einstellen der Takt Polarität.
  • SSPM3:SSPM0 (4 Bits):

SSPOV

Das SSPOV Bit ist der Indikator für ein eventuell aufgetretenes Überlaufen des Puffers. Nachdem ein Byte empfangen wurde muss dieses aus dem Puffer (Register SSPBUF) ausgelesen werden. Wenn das nicht erfolgt, wird SSPOV gesetzt. Außerdem wird der Inhalt des Puffers nicht mehr aktualisiert, solange das Bit gesetzt ist! Das Bit muss eigenhändig wieder gelöscht werden!

SSPEN

Wie es der Name des Bits schon vermuten lässt, wird durch das setzten dieses das SSP Modul aktiviert bzw. wird es deaktiviert wenn das Bit gelöscht ist. Ein löschen des Bits und somit das deaktivieren ist empfehlenswert bei low power Anwendungen um Stro zu sparen. Es versteht sich von selbst, dass das Bit nicht gelöscht werden darf, solange das SSP Modul in Benutzung ist.

CKP

Dieses Bit konfiguriert die Polarität des Taktes…

SSPM#

Die vier Bits von SSPM0 bis SSPM3 sind zuständig um den SPI Mode einzustellen. Wenn der Master Mode eingestellt ist, wird mit diesen Bits zusätzlich die Clock Frequenz geregelt. Näheres steht dann im Datenblatt eures PIC.

Ein weiteres Register, welches direkt mit dem SPI Bus bzw. mit dem SPI Bus in Bezug auf den PIC zu tun hat ist das SSPSTAT Register (Synchronous Serial Port STATus), welches den aktuellen Status des Moduls wieder spiegelt:

  • SMP: Bitte Detailbeschreibung lesen.
  • CKE: Bitte Detailbeschreibung lesen.
  • BF: Buffer full sagt, wenn eine Übertragung abgeschlossen ist.

SMP

Quelle: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41412F.pdf

Das Bit SaMPle timing (kurz SMP) kontrolliert die Daten Absatzrate. Wenn der PIC als Slave betrieben wird muss dieses Bit durch den Programmierer gelöscht werden. Wenn Ihr dieses Bit setzt, dann werden die Daten auf SDI am Ende der Ausgabe erfasst. Ist das Bit hingegen gelöscht, so werden die Daten in der Mitte erfasst. Seht euch einfach mal die Grafik dazu an.

CKE und CKP

Das CKE Bit muss in Zusammenhang mit dem CKP Bit gesehen werden. Wenn das CKE Bit gesetzt wird, dann werden die Daten beim Wechsel des Potentials auf der SCKx Leitung von Aktiv zu Leerlauf (idle) versendet. Ist das CKE Bit gelöscht, dann beim Wechsel von Leerlauf zu Aktiv. Dies muss dann wie gesagt immer im Zusammenhang mit dem CKP Bit betrachtet werden. Es ergeben sich somit vier verschiedene Clock Modes, welche sehr schön aus der Tabelle ersichtlich sind.

SPI MODE CKP CKE
0,0 0 1
0,1 0 0
1,0 1 1
1,1 1 0

Die grün geschriebenen Parameter bzw. der grün geschriebene SPI Mode ist der am häufigsten verwendete Mode.

BF

Dieses Bit sagt aus ob eine Konversation abgeschlossen ist oder eben noch läuft. Sobald dieses Bit logisch 1 ist, muss der Puffer SSPBUF ausgelesen werden. Das Bit wird automatisch gelöscht, sobald der Puffer gelesen wurde. Nochmal: Der Puffer muss nach empfangenen Daten gelesen werden! Ist das BF Bit 1 und das SSPBUF Register wird nicht ausgelesen, wird automatisch SSPOV gesetzt.

Q: Aber wie sagt man dem PIC denn nun, was gesendet werden soll? Oder wo kann ich die empfangenen Daten her holen?
A: Das zu übertragende Byte wird in das SSPBUF Register gelegt und automatisch versendet.

Die serielle Schnittstelle (EUSART/UART)

Das EUSART-Modul (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Reseiver Transmitter) bietet die Möglichkeit eine einfache serielle Verbindung aufzubauen. Das Modul kann entweder als synchrones Modul im Halb-Duplex-Verfahren oder aber als wesentlich interessanteres asynchrones Modul im Voll-Duplex-Verfahren eingesetzt werden. Der asynchrone Betrieb ist sehr beliebt um beispielsweise eine Verbindung zum COM-Port eines Computers herzustellen, besser bekannt unter dem Begriff “RS232”. Wer jetzt sagt: “Eine serielle Schnittstelle RS232-Schnittstelle an modernen Computern?” hat mit seiner Verwirrung vollkommen recht. Euch möchte ich folgenden Artikel ans Herz legen FTDI – FT232RL.

Zum Aufbau der seriellen Verbindung benötigt man lediglich zwei IOs des PIC-Controllers. Eine Leitung zum Senden TX und eine zum Empfangen im Vollduplex-Betrieb RX. In der Regel dienen hierzu die Pins RC6 und RC7 wobei neuere PIC-Typen über mehrere EUSART-Module verfügen. Die IO-Pins des Controllers werden als Open-Collector betrieben, damit es zu keinen Kurzschlüssen auf dem Bus kommen kann.

Protokoll

Das Protokoll der UART-Schnittstelle ist denkbar einfach. Übertragen werden Rohdaten mit einer Größe von acht Bit. Zusätzlich wird ein vorangehendes Startbit, ein oder wahlweise zwei nachfolgende(s) Stoppbit(s) sowie, wenn gewünscht ein Paritätsbit (gerade oder ungerade). Somit besteht ein vollständiges Datenpaket aus mindestens 10 bis maximal 12 Bits, siehe:



Die Spezifikation sieht vor, dass eine logische 1 (auch als Mark bezeichnet) mit einem Pegel von -12V und eine logische 0 (auch als Space bezeichnet) mit einem Pegel von +12V übertragen wird. Sprich, die Pegel auf dem Medium können als invertiert in Bezug zu den logischen Pegeln betrachtet werden. Natürlich gibt der Mikrocontroller keine Pegel von +/-12V an seinen Pins aus. Hierfür gibt es entsprechende Pegelwandler-ICs wie zum Beispiel den MAX232 . Wenn man aber zum Beispiel eine Verbindung über UART zu modernen PCs herstellen möchte, die in aller Regel keinen RS232-Anschluss mehr besitzen, so greift man auf so genannte USB/Seriell-Konverter zurück. Ein sehr prominenter Vertreter ist der FT232RL von FTDI. Dieser übernimmt alle Umwandlungen jeglicher Pegel und bietet die Möglichkeit den USB-Anschluss am Rechner zu nutzen um eine virtuelle serielle Verbindung mit einem Controller herzustellen. Siehe den verlinkten Artikel für mehr Details.

Initialisierung

Damit das EUSART-Modul (oder USART, UART) eines PIC-Controllers verwendet werden kann, muss dieses natürlich zunächst entsprechend den Anforderungen konfiguriert werden. Die Konfiguration gestaltet sich ausgesprochen einfach, wie wir jetzt sehen werden. Als erstes schauen wir uns das Register TXSTAX (Transmit Status And Control Register) an.

BIT 7 BIT 0
CSRC TX9 TXEN SYNC SENDB BRGH TMRT TX9D

TX9D (neuntes Datenbit)

Dieses Bit stellt den Inhalt im Falle einer 9-Bit-Datenübertragung und ist für den normalen RS232-Anwendungsfall uninteressant.

TMRT (Transmit Shift Register Status Bit)

Das Timer Shift Register zeigt an ob das Ausgangs-Schieberegister leer oder voll ist. Wir werden das Bit jedoch nicht gebrauchen. Eine abgeschlossene Übertragung ermitteln wir später durch das zum Modul zugehörige TX-Interrupt-Flag.

BRGH (High Baud Rate Select Bit)

Dieses Bit wird ausschließlich im asynchronen Modus verwendet um zwischen hoher (1) und niedriger (0) Baudrate zu unterscheiden. Je nach gewünschte Baudrate muss dieses Bit gesetzt oder gelöscht werden. Im Datenblatt des verwendeten PIC gibt es entsprechend Tabellen mit diversen Baudraten sowie der dazu passenden Einstellung für das BRGH-Bit. Zusätzlich besteht hier eine Abhängigkeit zur verwendeten Taktquelle des PIC.

SENDB (Send Brake Character Bit)

Dieses Bit wird ebenfalls ausschließlich im asynchronen Modus verwendet um zum Beispiel dem LIN-Bus-Spezifikationen eines bestimmten Break-Codes zu entsprechen. Im normalen RS232-Betrieb wird dieses Bit nicht verwendet.

SYNC (Mode Select Bit)

Mit diesem Bit wird zwischen dem üblicherweise verwendetem asynchronen Modus (0) oder dem synchronen Modus (1) gewählt.

TXEN (Transmit Enable Bit)

Dieses Bit schaltet das Modul ein (1) oder aus (0).

TX9 (9-Bit Transmit Enable Bit)

Wenn dieses Bit auf ‘1’ gesetzt wird, können neun statt der üblichen acht Bits pro Daten (netto) übertragen werden. In der Regel verwenden wir jedoch den normalen Modus mit 8 Datenbits und setzten das Bit folglich auf ‘0’.

CSRC (Clock Source Select Bit)

Im synchronen Modus wählt man mit diesem Bit aus, ob der PIC als Master (1) oder als Slave (0) fungieren soll. Im asynchronen Modus ist das Bit hingegen irrelevant.

Als nächstes betrachten wir das RCSTAX Register (Receive Status And Control Register).

BIT 7 BIT 0
SPEN RX9 SREN CREN ADDEN FERR OERR RX9D

RX9D (neuntes Datenbit)

Wie schon im entsprechenden TX-Register dient dieses Bit für die optionale 9-Bit-Daten-Kommunikation.

OERR (Overrun Error Bit)

Das Überlaufbit wird gesetzt, wenn der Empfangs-FIFO übergelaufen ist. Solange das Bit nicht gelöscht wird (durch Löschen des CREN Bits im RCSTAx-Register), können keine neuen Zeichen/Daten über den Bus empfangen werden.

FERR (Framing Error Bit)

Wenn in einem Datenpaket ein Stopp-Bit nicht erkannt wurde, wird das FERR-Bit gesetzt. Das Bit kann ausschließlich gelesen werden. Es ist nicht notwendig das Bit zu löschen. Sobald das nächste Zeichen eingelesen wird, wird das Bit wieder aktualisiert.

ADDEN (Address Detect Enable Bit)

Dieses Bit ist ausschließlich im 9-Bit-Modus relevant.

CREN (Continous Receive Enable Bit)

Im asynchronen-Modus wird mit einer ‘1’ das Empfangs-Modul aktiviert und mit einer ‘0’ deaktiviert. Im synchronen-Modus hingegen wird der dauerhafte Empfang aktiviert (1) oder deaktiviert (0).

SREN (Single Receive Enable Bit)

Im asynchronen-Modus ist dieses Bit nicht von Interesse. Ebenso, wenn der Controller im 9-Bit-Slave-Modus betrieben wird.

RX9 (9-th Receive Enable Bit)

Mit diesem Bit wird zwischen 9-Bit-Kommunikation (1) oder 8-Bit-Kommunikation (0) unterschieden. In der Regel verwenden wir den 8-Bit-Modus.

SPEN (Seriel Port Enable Bit)

Mit einer ‘1’ in diesem Bit wird das Empfangs-Modul aktiviert, mit einer ‘0’ deaktiviert.

Im BAUDCONx-Register werden Einstellungen zur Baudrate getätigt. Außerdem befinden sich ein paar Flags in diesem Register.

BIT 7 BIT 0
ABDOVF RCIDL DTRXP CKTXP BRG16 WUE ABDEN

In diesem Register interessiert uns im Wesentlichen nur da Bit BRG16. Mit diesem Bit lässt sich zwischen 8 und 16-Bit-Baudgenerator unterschieden. Dies ist wichtig um später die richtige Baudrate auf Grundlage des PIC-Taktgebers zu generieren. Hierfür ist zusätzlich das Register SPBRGx wichtig. Der notwendige Wert für die gewünschte Baudrate kann wie folgt berechnet werden:

\text{Integer[x]} = (({\frac{\text{Fosc}}{\text{Desired Baudrate}}}}) / 1) -1

Das Ergebnis wird entsprechend Integer im Nachkomma-Bereich abgeschnitten und auf die beiden Register (SPBRGHx und SPBRGx) aufgeteilt.

Anwendung

An dieser Stelle möchte ich lediglich in aller Kürze Codeschnipesel zur Verfügung stellen. Als erstes den Code (am Beispiel eines PIC18F45K22) zur Initialisierung des EUSART-Moduls zum Verwenden der asynchronen UART im 8 Bit Modus. Die Baudrate ist dabei auf 9600 bit/s konfiguriert.

void initEUSART(void)
{
   TXSTA = 0b00100000;
   RCSTA1 = 0b10010000;
   BAUDCON1bits.BRG16 = 0;
   SPBRG1 = 12;
   IPR1bits.RC1IP = 1;
   PIE1bits.RC1IE = 1;
}

Der nächste Codeschnipsel zeigt eine Funktion die zum Aussenden eines Datenpaketes verwendet werden kann.

void transmitEUSART(char value)
{
   /*are you ready to send out new data?*/
   if(PIR1bits.TX1IF)
   {
      /*load the byte into the buffer*/
      TXREG1 = value;
   }
}

Zu guter letzt eine entsprechende Interrupt-Service-Routine, die beim Empfang eines neuen Datenpaketes (über die RX-Leitung) aufgerufen wird. Beachte, dass die Priorität auf hoch gesetzt wurde.

char eusartInput;

// ...

void interrupt highPrio(void)
{
   /*is there an unreaded byte in the buffer?*/
   if(PIR1bits.RC1IF == 1)
   {
      /*clear int-flag by readout the buffer*/
      eusartInput = RCREG1;
   }
}

Dabei ist die Initialisierung von oben bereits so geschrieben, dass der Interrupt für empfangene Pakete aktiviert ist (zusätzlich muss wie immer die globale Aktivierung für Interrupts erfolgt sein).

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