本日の内容導入回路の作製回路図から配線図へブレッドボードを使った試作回路の作製マイコンへのプログラム書き込み GPIOの実験

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あきひろわかはら
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1 本日の内容導入回路の作製回路図から配線図へブレッドボードを使った試作回路の作製マイコンへのプログラム書き込み GPIOの実験

これらをすべて一つのチップに集積化したワンチップマイコン Z80マイコンボードワンチップマイコン

2 マイコンマイクロコントローラ小型のコンピュータ Z80などは通常のパソコンと同じように CPU メモリパラレルシリアルIO タイマなどが別々の部品だったが最近主流のPIC AVR ARM の一部等はこれらをすべて一つのチップに集積化したワンチップマイコン Z80マイコンボードワンチップマイコン Wikipediaより All in one!

3 マイコンの種類 PIC AVR H8 SH ARM 最近のマイコン(SH4, ARM Coretex-Aなど)は MMU(Memory Management Unit)を登載しており PCと同じマルチタスクOS Linux)を動かすことも可能例 Raspberry Pi PC用のCPUとマイコンとの差はなくなりつつある

4 準備必要なプログラムのインストールコンパイラ MPLAB XC１６統合開発環境 MPLAB X IDE

5 回路図から配線図へ回路図は電気的配線を表したもの物理的な形状とは異なるそこではじめに回路図から物理的な形状を考慮した配線図を作成する

6 回路1

7 回路1 IC マイコン等のピン番号同じシンボル(名前同士は電気的につながっている

8 コネクタ回路1 ３端子レギュレータ１コンデンサ抵抗マイコン LED

9 ピン番号ピン番号はデータシートインターネットで検索すればダウンロードできるをみれば記載されている半円形に凹んでいる辺が上に来るように見るピン1 ピン2 ピン28 １ 3 2 ピン14 ピン16 ピン15

10 PIC24FJ32GA002 16bitのPIC 内部オシレータ: 8 khz ~ 32 MHz プログラムメモリ 32 kb RAM 8 kb ADC:10bit x 10, 500 ksps タイマー 16bit x 5, 32bit x 2 I2C, SPI, UART等のシリアルインターフェース

11 抵抗器カーボン抵抗もっとも基本的な抵抗安価だが精度は通常±5%程度デジタル回路当然マイコンもには十分な精度色で抵抗値を表す茶黒赤金 10 x 102 [ ] ± 5% 1 k

コンデンサ積層セラミック http://akizukidenshi.com/img/goods/c/p-05270.

12 コンデンサ積層セラミック小さいわりに容量が大きい一般的に容量が大きいほどサイズも大きくなるただし精度は悪い８０２０ーアナログ回路の静電容量の精度が重要な部分には不向きパスコンバイパスコンデンサ IC等の電源の近くに配置して瞬間的な電源電圧の変動を吸収して電源電圧を安定させるに使われることが多い静電容量表示 x 104 [pf] = [pf] = 0.1 [ F]

13 LED LED 発光ダイオード携帯電話などの電器製品の発光信号照明なんかに使われる電流を流すと光る電圧を直接供給してはいけない I K 部品ごとのバラツキ温度変化 A 急に立ち上がる K A appnotes/1883/1883fig04.gif V 電圧で駆動しようとするととてもシビアしかも動作曲線は個々の部品ごとに少し違うし温度が変わっても変化するー過大な電流が流れてLEDが壊れるー電圧でコントロールするのは極めて難しい

14 LED LED 発光ダイオード携帯電話などの電器製品の発光信号照明なんかに使われる電流を流すと光る電圧を直接供給してはいけない I A K K 部品ごとのバラツキ温度変化 V A appnotes/1883/1883fig04.gif 電流で駆動すると安定に光らせられる現実的には抵抗と組み合わせて電圧駆動することが多い

15 LED R I Vb / R 部品ごとのバラツキ温度変化 Vb 動作点 Vb V 現実的には抵抗と組み合わせて電圧駆動することが多い

安定な周波数信号を発生させる http://akizukidenshi.com/img /goods/3/p-00147.

16 セラミック振動子コンデンサ内蔵マイコンの動作周波数を決める素子水晶を使ったものもある水晶の方が精度は高いけど高価圧電材料電圧をかけると歪むまた逆に力を加えると電圧が出る材料の構造体の固有振動共振をつかって安定な周波数信号を発生させる /goods/3/p jpg

17 3端子レギュレータ安定な電圧を作り出す電源より低い電圧しか作れない電源５ V) 出力 3.3 V) 入出力電圧の範囲はデータシートを参照１ 3 2

18 ブレッドボードで回路を作るブレッドボードこれらの穴に部品を差し込んでいくそれぞれ内部で電気的につながっている

19 1 配線例 P1 ブレッドボード内の配線コンデンサコンデンサ抵抗今回は3 3Vを直接与えるので 3端子レギュレータは不必要 LED

20 ブレッドボードで回路を作る部品を刺していく

21 ブレッドボードで回路を作る配線で部品間を接続していく

22 プログラミング MPLAB-X を起動し File New projectで新しいプロジェクトを作成する

23 プログラミング Standalone Projectを選ぶ

24 プログラミングデバイスファミリ PIC18)とデバイス(PIC18F2550)を選ぶもしくは PIC24を選んで PIC24FJ32GA002を選ぶ

25 プログラミングデバイスプログラマ(PICkit)を接続しておくとシリアルナンバーが表示されるので選択する

26 プログラミング使用するコンパイラを聞かれるので XC8(PIC24シリーズを使う場合はXC16)を選択する

27 プログラミングプロジェクト名を入れる Finishボタンを押すとプロジェクトができる

28 プログラミング左のツリーに今作ったプロジェクトが表示されるツリーの中のSource Fileのところで右クリックし New C Source fileを選ぶ

29 プログラミングファイル名を入れる Finishボタンを押すと空のファイルができる

30 プログラム(PIC24FJ32GA002) #include <xc.h> #include <p24fj32ga002.h> #include <stdio.h> #pragma config OSCIOFNC = ON #pragma config FNOSC = FRCPLL #pragma config FWDTEN = OFF #pragma config JTAGEN = OFF #pragma config WUTSEL = LEG #define INPUT_PIN 1 #define OUTPUT_PIN 0 int main(){ long i; AD1PCFG = 0xffff; EnableLED0(); EnableLED1(); //ALl digital IOs //oscillator CLKDIV = 0x00; // CPU clock 1:1, FRC PS = 1, // PLL enabled (i.e. 32MHz), //f_cpu = f_peripheral = 32MHz LED0_off(); LED1_off(); while(1){ #define EnableLED0() TRISBbits.TRISB6=OUTPUT_PIN #define EnableLED1() TRISBbits.TRISB7=OUTPUT_PIN for(i=0; i<40000; i++){ asm("nop"); } LED0_on(); LED1_on(); #define LED0_on() LATBbits.LATB6 = 1 #define LED0_off() LATBbits.LATB6 = 0 #define LED1_on() LATBbits.LATB7 = 1 #define LED1_off() LATBbits.LATB7 = 0 for(i=0; i<40000; i++){ asm("nop"); } LED0_off(); LED1_off(); } //Never comes here return 0; }

31 プログラミングプロジェクト名の上で右クリックして Prertiesを選択する

32 プログラミング PICkit 3を選択し右のタブからPowerを選択する (PICkit 2を使っている場合はこれと次ページの操作は必要ない

33 プログラミング Power target...にチェックを入れるこれをしないと PICkitからターゲット回路に電源が供給されない外部から独自に電源を供給する場合には問題無い Voltage Levelに5Vを入れる実際の書き込みの時にエラーが出るようだったらここを4.7Vくらいにしてみる

34 プログラミングコンパイルする

35 プログラミングコンパイルする問題なければ下のようにBUILD SUCCESSFULと表示されるエラーがでるようならエラーメッセージをよく読んでプログラムを修正する

36 プログラミングターゲット回路にPICkitを接続する

37 プログラミング実際に書き込みを行う

38 プログラミングこのようなメッセージがでるが今回は問題ないのでOKを押す

39 プログラミングうまく書き込めたら下のようにProgramming/Verify completeと表示されるはず

40 プログラミング書き込み後は自動でプログラムが実行されるはず下のようにLEDが点滅する

41 プログラムの実行マイコンはメモリに書き込まれた命令を一つずつ順番に実行していくメモリに書き込まれているのはマシン語 0, 1 の電気信号人間がこれを理解するのは困難不可能ではないがなのでプログラミング言語を使ってプログラムを作るアセンブリ言語機械語を人間が分かるように直訳したような言語機械語とほぼ1対1対応なので最もかゆいところまで手が届く言語しかしすべてのリソースを人間が考えて管理しなければいけないので大規模なプログラムを作るのには相当な労力がいる通常はスタートアップルーチンや割り込み時の処理などに使うことが多い C言語や他の高級言語アセンブリより人間にとって理解しやすいレジスタやスタックなどのリソースの管理を人間がしなくてよいのでより高級な処理に注力できるアセンブリ言語ーーアセンブルーマシン語 C言語等ーーコンパイルーアセンブリ言語ーーアセンブルーマシン語ただし通常コンパイルと言うときこのアセンブルも含むことが多いどんな言語で記述しようとも最終的にはマシン語に変換されそれが実行される

42 レジスタとはマイコンの中にあるメモリの一種様々な周辺機器の設定や情報の読み書きに使われるプログラムはレジスタを読み書きすることでデータを出力したりセンサーからデータを読んだりする汎用レジスタプログラムカウンタスタックポインタ演算などに使う命令の実行位置を指し示すスタックデータの一時保管場所 PICの場合は関数が呼ばれた場合の戻りアドレスステータスレジスタ演算結果の状態ゼロになった桁溢れが生じたなどを示す SFR 周辺モジュールタイマー AD 通信等の設定データ入出力 (Special Function Registor) メモリアドレス領域にマッピングされているなのでプログラムからは通常のメモリのようにアクセスできるレジスタの名前やアドレスはデータシートに書かれているまたそのレジスタをどのように使用するかもデータシートに書かれているデータシートは最良の教科書使用方法がわからない時は該当箇所を良く読む

43 レジスタの書き込み読み込みレジスタへのデータの書き込み Microchipのコンパイラの場合は適切なヘッダファイル()をインクルードすることでアドレスを気にすることなく以下のようにレジスタを読み書きできる 1Byte(8bit) を一括で書き込む (レジスタ = (データ例 LATA = 0x55; 1bitだけ書き込む (レジスタ bits. ビット名 = (1 or 0) 例 LATAbits.LATA3 = 1; 読み込みも同様

44 General Purpose Input and Output GPIO) GPIOへのデータの出力 GPIO 入出力のピンのことデジタル 0V or 5V(3.3V) 信号をICの足に出力する又は ICの足に加わったデジタル信号を読み出す PIC２４FJ３２GA002の場合は最大２１本の足をGPIOとして使えるピンはその他の機能 AD変換シリアル通信等と共用なのでこれらの機能を使うときは GPIOとしては使えない PIC２４FJ３２GA002 データシートより

45 GPIO(General Purpose Input/Output) デジタル電圧 0V or 5V を出力したり読み込んだりするマイコンと外部との電気的な信号のやりとりに使うマイコンのほとんどの足はGPIOとして使える基本は8bitなので足8本ごとにポートA, ポートBなどと名前が付いているすべてのポートが必ずしも８本の足で構成されているわけではないので注意入力出力の切り替えはTRISx TRISA, TRISB,...)にデータを書き込んで設定するデータの出力はLATx(LATA, LATB, )にデータを書き込むデータの入力はPORTx, LATxなどを読み込む

46 GPIOへのデータの出力 TRISA[x] = 0 ポートAのxビットを出力に設定する TRISA[x] = 1 入力に設定するマイコンの中マイコンの外ポートA PA7 PA6 LATA[x] 実際に出力するデータ LATA 7 6 x x x 対応するTRISが１の所は出力されない 1 x x x 0 x 7 6 TRISA PA0 0 プログラムの例1 TRISAbits.TRISA4 = 0; LATAbits.LATA4 = 1; プログラムの例２ TRISA = 0xef; LATA = 0x10; ポートAの０ビットの意味 TRISAのビット４を０にする出力に設定 PORTAのビット４を 1 (=5V)にする TRISAに２進数でを設定 PORTAに２進数でを設定

47 プログラムの解説 GPIO) まずはそれぞれの足が入力なのか出力なのかを設定する必要があるー TRIS レジスタそれぞれの足 TRISA6ならRA6 が入力(=1)か出力 0 かを設定する PIC18F2550データシートより

48 プログラムの解説 GPIO) 今の場合は LEDはポートBのビット5 RB5 につながっているこれを出力に設定したいなら TRISBbits.TRISB5 = 0; とする実際にピンにデータを出力するには LATレジスタにデータを書き込む RB5を5Vにしたいなら LATBbits.LATB5 = 1 とするし 0Vにしたいなら LATBbits.LATB5 = 0 とする

49 GPIOによるデータの入力 int main(){ unsigned long i; unsigned long count; 次にプログラムを右のように改良するこのプログラムでは RB4の電圧を読み取って LEDの点滅の周期を変化させている AD1PCFG = 0xffff; EnableLED0(); EnableLED1(); //ALl digital IOs TRISBbits.TRISB4 = 1; //Input //oscillator CLKDIV = 0x00; // CPU clock 1:1, FRC PS = 1, // PLL enabled (i.e. 32MHz), //f_cpu = f_peripheral = 32MHz LED0_off(); LED1_off(); While(1){ RB4を入力にする if( PORTBbits.RB4 == 1){ count = 40000; }else{ count = ; } RB4の電圧を読み取るこれが 1 つまり5Vなら countの値を 40000にするそれ以外ならに設定する for(i=0; i<count; i++){ asm("nop"); } LED0_on(); LED1_on(); for(i=0; i<count; i++){ asm("nop"); } LED0_off(); LED1_off(); } //Never comes here return 0; }

51 練習問題ポートAをすべて出力に設定して 0x52を出力せよテスター LED等できちんと出力できているか確かめよ次にポートAのビット0~3を入力に設定して読み込んだ値をビット４７に出力せよつまり PORTA4 = PORTA0, PORTA5 = PORTA1,,,, となるようにする実際にポートAのビット０３にスイッチをつなぎビット４７にLEDをつないで動作を確認せよ main(){ TRISA=0x00; LATA=0x52; while(1) ; } main(){ unsigned char input; TRISA=0x0f; input = PORTA; LATA = (input << 4); while(1) ; }

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本日の内容 導入 回路の作製 回路図から配線図へ ブレッドボードを使った試作回路の作製 マイコンへのプログラム書き込み GPIOの実験

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