PIC16 имеет следующие параметры и режимы.

Высокоскоростную RISC архитектуру:

• 35 инструкций;

• все команды выполняются за один цикл, кроме инструкций переходов, выполняемых за два цикла;

• тактовая частота: DC – 20 МГц, тактовый сигнал DC – 200 нс, один машинный цикл;

• до 8к х 14 слов FLASH памяти программ;
до 368 х 8 байт памяти данных (ОЗУ);
до 256 х 8 байт EEPROM памяти данных;

Систему прерываний (до14 источников):

• 8-уровневый аппаратный стек;

• сторожевой таймер WDT с собственным RC генератором;

• программируемая защита памяти программ;

• режим энергосбережения SLEEP;

• выбор параметров тактового генератора;

• высокоскоростная, энергосберегающая CMOS FLASH/EEPROM технология;

• полностью статическая архитектура;

Рис 7. 6. Функциональная схема PIC16F

• программирование в готовом устройстве (используется два вывода микроконтроллера);

• низковольтный режим программирования;

• режим внутрисхемной отладки (используется два вывода микроконтроллера);

• широкий диапазон напряжений питания от 2,0 В до 5,5 В;

• повышенная нагрузочная способность портов ввода-вывода (25 mА малое энергопотребление: < 0,6 mА

Характеристика перифирийных модулей:

• таймер 0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предделителем;

• таймер 1: 16-разрядный таймер/счетчик с возможностью подключения внешнего резонатора;

• таймер 2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предделителем и выходным делителем;

• два модуля сравнение/захват/ШИМ (ССР): 16-разрядный захват (максимальная разрешающая способность 12,5 нс); 16-разрядное сравнение (максимальная разрешающая способность 200 нс); 10-разрядный ШИМ;

• многоканальное 10-разрядное АЦП;

• последовательный синхронный порт MSSP ведущий/ведомый режим SPI ведущий ведомый режим I²C;

• последовательный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART с поддержкой детектирования адрес

• ведомый 8-разрядный параллельный порт PSP с поддержкой внешних сигналов RD, WR, CS (только в 40/44-выводных микроконтроллерах).

Рассмотрим особенности отдельных блоков схемы.

Регистры специального назначения.С помощью семи регистров специального назначения (POR, OST, PWRT, WDT, BOR, ICD, LVP) выполняется управление функциями ядра и периферийными модулями микроконтроллера. Регистры специального назначения реализованы как статическое ОЗУ.

Порты ввода-вывода.У микроконтроллеров PIC16F есть пять портов: PORT A, B, C, D E.Некоторые каналы портов ввода-вывода мультиплицированы с периферийными модулями микроконтроллера. Когда периферийный модуль включен, вывод не может использоваться как универсальный канал ввода-вывода. Работу портов рассмотрим на примере порта А, схема которого состоит из двунаправленного буферного усилителя и регистра TRISA. PORT A - 6-разрядный порт ввода вывода. Все каналы PORT A имеют соответствующие биты направления в регистре TRISA, позволяющие настраивать канал как вход или выход. Запись 1 в TRISA переводит соответствующий выходной буфер в 3-е состояние. Запись '0' в регистр TRISA определяет соответствующий канал как выход, и содержимое защелки PORTA передается на вывод микроконтроллера (если выходная защелка подключена к выводу микроконтроллера).

Чтение регистра PORT A возвращает состояние на выводах порта, а запись производится в защелку PORT A. Все операции записи в порт выполняются по принципу «чтение - модификация - запись», т. е. сначала производится чтение состояния выводов порта, затем изменение и запись в защелку.

Каналы PORT A мультиплицированы с аналоговыми входами АЦП и аналоговым входом источника опорного напряжения Vref.

Биты регистра TRISA управляют направлением каналов PORT A, даже когда они используются как аналоговые входы. Пользователь должен удостовериться, что соответствующие каналы PORT A настроены на вход при использовании их в качестве аналоговых входов.

Назначение выводов всех портов приведено в табл. 7.3

Организация памяти

В микроконтроллерах PIC16F87X имеется три вида памяти. Память программ и память данных имеют раздельные шины данных и адреса, что позволяет выполнять параллельный доступ.

Память программ микроконтроллера PIC16 имеет 13-разрядный счетчик команд PC, способный адресовать 8к х 14 слов памяти программ. Физически реализовано FLASH памяти программ 8к х 14 в PIC16F877/876 и 4к х 14 в PIC16F873/874. Обращение к физически не реализованной памяти программ приведет к адресации реализованной памяти Адрес вектора сброса - 0000h. Адрес вектора прерываний - 0004h.

Модули таймеров.У PIC16F имеется пять таймеров: TMR0, TMR1, TMR2, CCP1, CCP2. Работу таймеров рассмотрим на примере TMR2.TMR2 - 8-разрядный таймер с программируемыми предделителем и выходным делителем, 8-разрядным регистром периода PR2. TMR2 может быть опорным таймером для ССР модуля в ШИМ режиме. Регистры TMR2 доступны для записи/чтения и очищаются при любом виде сброса. TMR2 считает, инкрементируя от 00h до значения в регистре PR2, затем сбрасывается в 00h на следующем машинном цикле. Регистр PR2 доступен для записи и чтения. После сброса значение регистра PR2 равно FFh.

Назначение выводов микроконтроллеров PIC16F Таблица 7.3

Окончание Таблица 7.3

Обозначения. I – вход; О – выход; I/O – вход-выход; Р – питание; - - не используется; TTL - входной буфер ТТЛ; ST - вход с триггером Шмидта.

ССР модули (захват/сравнение/ШИМ).

Каждый модуль ССР содержит 16-разрядный регистр, который может использоваться в качестве:

• 16-разрядного регистра захвата данных;

• 16-разрядного регистра сравнения;

• двух 8-разрядных (ведущий и ведомый) регистров ШИМ.

Работа модулей ССР1 и ССР2 идентична, за исключением функционирования триггера специального события.

Регистр CCPR1 модуля ССР2 состоит из двух 8-разрядных регистров: CCPR1L (младший байт), CCPR1H (старший байт). В регистре C0N модуля ССР1 находятся его управляющие биты, доступные для записи и чтения. В режиме сравнения триггер специального события сбрасывает таймер TMR1.

Регистр CCPR2 модуля ССР2 состоит из двух 8-разрядных регистров: CCPR2L (младший байт), CCPR2H (старший байт). В регистре CCP2C0N находятся управляющие биты модуля ССР2, доступные для записи и чтения. В режиме сравнения триггер специального события сбрасывает таймер TMR1 и запускает преобразование АЦП (если АЦП включено).

В ШИМ режиме у модуля ССР1 вывод RC2/CCP1 используется в качестве выхода 10-разрядного ШИМ, так как вход ССР1 мультиплицирован с цифровым каналом порта ввода-вывода, бит направления TRISC<2> должен быть сброшен в '0'.

На рис. 7.7 показана временная диаграмма одного цикла ШИМ (период ШИМ и длительность высокого уровня сигнала). Частота ШИМ есть обратная величина периоду (1/период).

Период ШИМ определяется значением в регистре PR2 и может быть вычислен по формуле: Период ШИМ=[(PR2)+1] ∙ 4 ∙ T_osc ∙ К_TMR2, где T_osc – период; К_TMR2 – коэффициент предделителя TMR2. Частота ШИМ = 1/Период ШИМ. Новый период начинается, когда значение TMR2 сравнивается с PR2.

Рис. 7.7. Временная диаграмма одного цикла ШИМ.

Модуль ШИМ-генератора ориентирован прежде всего на управление трехфазным инвертором на­пряжения. Модуль ШИМ-генератора реализует следующий минимальный набор функций (рис. 7.8):

Рис. 7.8. Временная диаграммы формирования ШИМ – сигналов:

а - односторонняя (фронтовая) ШИМ при управлении силовыми ключами одного полумоста; б - односторонняя (фронтовая) ШИМ с формированием «Мёртвого времени» при управлении силовыми ключами одного полумоста; в - двусторонняя (центрованная) ШИМ при управлении силовыми ключами одного полумоста; г - двусторонняя (центрованная) ШИМ с формированием «Мёртвого времени» при управлении силовыми ключами одного полумоста

· генерирует цифровой опорный код с программируемой несущей частотой ШИМ-сигнала. Генератор «цифровой пилы» может работать как в режиме односторонней (с пилообразным опорным сигналом), так и двусторонней (с треугольным опорным сигналом) ШИМ-модуляции. В терминах микропроцессорной техники первый режим называют «фронтовой» ШИМ-модуляцией, второй режим — «центрированной» ШИМ-модуляцией. Главным недостатком «фронтовой» модуляции является одновременность переключения силовых ключей инвертора, что ухудшает гармонический состав формируемых выходных напряжений. Использование «центрированной» модуляции позволяет разнести во времени моменты переключения силовых ключей различных каналов инвертора и тем самым существенно улучшить гармонический состав выходного напряжения. Как видно из рисунка 7.8, все выходные импульсы располагаются при этом симметрично относительно центра периода ШИМ, схема генерирует шесть независимых или три комплементарных пары ШИМ-сигналов. В любой момент в открытом состоянии находится только один ключ из пары, т. е. формируемые модулем сигналы управления ключами одной фазы взаимноинверсны. Именно такой алгоритм переключения вентилей характерен для способов формирования выходного напряжения инвертора методом ШИМ;

· в комплементарном режиме работы схема реализует вставку программируемого «мертвого времени». В этом режиме включение одного из вентилей пары производится спустя некоторое время после снятия сигнала управления с другого вентиля пары. Тем самым реализуется защита стойки инвертора от сквозного тока. Диапазон регулирования «мертвого времени» обычно составляет 0,125-125 мкс;

· нагрузочная способность каждого из шести каналов ШИМ равна приблизительно 20 mА, что обеспечивает непосредственное подключение вывода МК к оптопаре драйвера управления ключом.

Наличие в составе МК специализированного модуля ШИМ-генератора является необходимым, но недостаточным условием для организации замкнутой системы управления электроприводом. Для измерения электрических переменных (сигналов датчиков тока и напряжения) МК класса «Motor Control» должен обязательно иметь еще одно периферийное устройство - встроенный многоканальный аналого-цифровой преобразователь с разрешением 10-12 двоичных разрядов и временем преобразования не более 10 мкс на канал.

Для организации обратной связи по положению ротора двигателя используются импульсные датчики положения. Для приема и обработки этих сигналов могут быть использованы аппаратные средства таймера общего назначения с несколькими каналами захвата внешних сигналов или задействованы несколько каналов процессора событий, также в режиме захвата.

Вопросы для самоконтроля

1. Как классифицируются микропроцессорные средства управления электроприводом?

2. Какие узлы входят в состав двухуровневой АСУ с регулируемым электроприводом?

3. Какие функции выполняют контроллеры трехуровневой АСУ?

4. Перечислите варианты конструктивного исполнения промышленных контроллеров?

5. Какие узлы входят в состав программируемых логических контроллеров?

6. Как оценивается быстродействие ПЛК?

7. Какие языки используют для программирования ПЛК?

8. Какими отличительными признаками характеризуются промышленные компьютеры?

9. Какие отличительные признаки характеризуют промышленный контроллер?

10. Перечислите типы и особенности промышленных контроллеров российских производителей.

11. Какие узлы входят в состав схемы однокристальной микроЭВМ?

12. Какие функции выполняет ЭВМ Pic16F?

13. Из каких узлов состоит схема Pic16F?

14. Какие узлы схемы Pic16F входят в ШИМ-генератор?