INFOTEH-JAHORINA Vol. 11, March 2012. Simulacija rada PIC mikrokontrolera Željko Gavrić, Stefan Tešanović studenti prvog ciklusa studija Fakultet za informacione tehnologije, Slobomir P Univerzitet Doboj, BIH zeljko.gavric@fit.spu.ba, stefan.tesanovic@fit.spu.ba Sadržaj U ovom radu prikazana su dva programska alata, PIC Simulator IDE i Proteus, koji se koriste za simulaciju rada mikrokontrolera. U uvodu je opisan pojam mikrokontrolera, gdje je stavljen akcenat na PIC 16F877 mikrokontroler, koji je ujedno i korišćen u realizaciji projekta i ovog rada. Ukratko je opisano samo okruženje navedenih programa, kao i primjeri rada u oba programa, sa pratećim slikama. U dijelu rada koji se odnosi na Proteus, opisan je sam program Proteus ISIS, koji se koristi za projektovanje uređaja i njegovu simulaciju. Takođe je prikazan kratak opis programa ARES koji je u sastavu programskog paketa Proteus, a koristi se za pripremu štampane pločice za projekat. Na samom kraju rada dato je kratko poređenje ova dva programska alata. Ključne riječi-pic Simulator IDE; Proteus ISIS; Proteus ARES; I. UVOD Savremeni integrisani mikroprocesori su zastupljeni u većini modernih uređaja, te zadovoljavaju veći dio potreba samih uređaja. Oni se prevashodno koriste zbog svoje rasprostranjenosti, performansi, relativne jednostavnosti rukovanja, ali i prihvatljive cijene. Termin mikroračunar predstavlja uređaj koji mora da sadrži mikroprocesor, programsku memoriju, memoriju podataka i ulazno/izlazni uređaj [1]. Savremeni mikroračunari posjeduju i dodatne komponente, koje zavise od namjene samog uređaja. U ovom radu akcenat je stavljen na mikrokontroler, koji predstavlja mikroračunar integrisan u jednom silicijumskom čipu. Pošto mikrokontroler predstavlja veoma širok pojam, u radu je korišćen mikrokontroler iz serije 16F, a to je mikrokontroler 16F877A, Sl.1. Ovaj mikrokontroler razvijen je od strane Microchip kompanije. Posjeduje tipičnu RISC arhitekturu. Arhitektura posjeduje odvojene magistrale za programski kod i za podatke. Posjeduje određen broj internih integrisanih programibilnih elektronskih kola, koja doprinose povećanoj stabilnosti i pouzdanosti sistema. Omogućeno mu je protočno izvršenje instrukcija. Sve instrukcije su istog obima, a izvršavaju se za četiri takta. Ukoliko se npr. koristi eksterni oscilator od 20MHz dobija se da ciklus instrukcije traje 200ns. Za povezivanje sa spoljnim uređajima implementirano mu je pet portova, od čega su tri 8-bitna, jedan 6-bitni i jedan 3-bitni. Podržava dva načina adresiranja RAM memorije, a to su direkni i indirektni. Mikrokontroler posjeduje sledeće blokove: Flash programska memorija RAM memorija Aritmetičko logička jedinica Akumulator Stack EEPROM memorija Razne periferne uređaje (portovi, tajmeri, A/D konvertor i dr.) Veoma bitna stavka za izbor mikrokontrolera je mogućnost testiranja samog programa za mikrokontroler na nekom od simulatora u različitim okolnostima. Postoji širok spektar simulatora raznih proizvođača. Jedan od najčešće korišćenih simulatora u obrazovne svrhe je PIC Simulator IDE firme Oshonsoft. Slika 1. Izgled mikrokontrolera 16F877A Takođe, veoma sveobuhvatan program je Proteus Isis firme Labcentar Electronics, koji pored simulacije rada mikrokontrolera omogućuje i simulaciju kompletnog sistema. U nastavku rada opisan je rad ovih simulatora. - 1030 -
II. PIC SIMULATOR IDE A. O programu PIC Simulator IDE je jedna od aplikacija koja ima korisnički orjentisan interfejs za Windows operativne sisteme [2]. Podržava mikrokontrolere serije 16FXXX i 12FXXX. U razvojno okruženje su integrisane sledeće komponente: Basic prevodioc, Asembler, Disasembler, generator HEX datoteke, interaktivni asemblerski editor, veći broj simuliranih IO uređaja. Glavni prozor aplikacije prikazuje spisak svih internih registara datog mikrokontrolera. U zavisnosti koji mikrokontroler je izabran, biće prikazani različiti registri, tj. samo oni koje dati tip mikrokontrolera posjeduje. Na Sl. 2 prikazan je izgled glavnog prozora aplikacije gdje je izabran mikrokontroler 16F877. File meni programa se sastoji od opcija: Clear memory vrši resetovanje simulatora i postavljanje registara u početno stanje, te prazni bafere programske FLASH memorije i memorije podataka; Load program učitavanje programske datoteke HEX formata u bafer FLASH memorije; Save memory čuvanje podataka FLASH i EPROM memorije u HEX datoteci. Simulation meni se sastoji od komandi: Start počinje simulacioni mod i izvršava instrukciju na adresi 0000H; Step izvršava simulaciju korak po korak, ali je prethodno potrebno u meniju Rate podesiti da se simulacija odvija korak po korak. Na sledeću instrukciju je moguće preći pritiskanjem tipke F2 na tastaturi; Stop zaustavlja simulaciju, te prikazuje informacije o broju izvršenih operacija i trajanju simulacije. Komande Rate menija omogućavaju izbror različitih brzina simulacije, tako npr. komanda Fast definiše da je vrijeme između izvršenja dvije instrukcije 50ms, dok opcija Ultimate ne osvježava glavni prozor simulacije, tako da je brzina simulacije maksimalna. Korisniku je omogućeno da ručno unosi frekvenciju simulacije, preko menija Options i komande Change clock frequency. Prozor za unos frekvencije izgleda kao na Sl. 3. Options meni nudi i dodatne opcije kao što su izbor tipa mikrokontrolera, resetovanje statistike simulacije, izmjenu vremena A/D konverzije i dr. Tools meni omogućuje uključivanje mnogo dodatnih komponenti. Neke od često korišćenih komponenti su: Program memory editor prikazuje operacione kodove instrukcija, koje je moguće mijenjati u samom editoru; EEPROM memory editor prikazuje izgled EEPROM memorije. Moguća je izmjena sadržaja u editoru; Microcontroller view prikaz izgleda mikrokontrolera, u kom je obezbjeđena izmjena stanja ulaza na izvodima mikrokontrolera, Sl. 4; Assembler ovom opcijom se aktivira asemblerski prozor, u kom je moguće prepraviti asemblerski kod postojećeg programa ili dodati novi kod. Nakon procesa asembliranja generiše se HEX fajl; Slika 3. Izgled prozora za unos brzine simulacije Slika 2. Izgled glavnog prozora aplikacije - 1031 -
Slika 5. Izgled prozora 7 segmentnog displeja III. PROTEUS Slika 4. Izgled prozora Microcontroller View 8 X Led board prikaz led dioda spojenih na izlaze mikrokontrolera. Na diode su podrazumijevano spojeni izlazi porta D, ali je moguće izabrati i drugi port; LCD modul omogućuje prikaz teksta, koji se podrazumijevano šalje preko porta B. LCD modul mora biti omogućen u kodu da bi se koristio; Graphical LCD modul aktivira se grafički LCD modul; Hardware UART Simulation Interface aktivira se UART interfejs za komunikaciju sa UART modulom mikrokontrolera. Oscilloscope praćenje stanja na maksimalno četiri pina; Signal generator maksimalno četiri nezavisna generatora signala; 7 segment LED display panel prikaz LED cifara na displeju. Prvobitno je potrebno omogućiti LED displej, i podesiti na kom portu treba prikazati koju cifru; Watch variable praćenje promjena varijabli koje se koriste u programu. B. Rad u programu Po učitavanju HEX programa preko opcije Load iz menija File, u polju Program location biće prikazana putanja do programa koji je učitan. Za početak izvođenja programa potrebno je izabrati opciju Start iz menija Simulation. Ukoliko izaberete brzinu simulacije Step na liniji menija se prikazuje dodatna opcija Step, kojim se prelazi na sledeći korak, tj. na sledeću instrukciju. Izvršavanjem instrukcija dolazi do promjene stanja pojedinih registara. Pošto učitani program ispisuje cifre na ekran sedmosegmentnog displeja, potrebno je u meniju Tools izabrati opciju za prikaz 7 segmentnog displeja. Po otvaranju displeja potrebno je podesiti portove koji su povezani na pojedinu cifru. U ovom slučaju je na cifru 1 spojen port B, na cifru 2 port C, i na cifru 3 port E. Displej izgleda kao na Sl. 5. A. O programu Proteus je alat koji omogućava kreiranje šeme uređaja i simulacija rada [3]. Program je veoma obuhvatan te može sadržati više komponenti, a omogućuje programeru crtanje šeme, učitavanje programa u mikrokontroler, pregled programskog koda, kao i samu simulaciju. Pored simulacije mikrokontrolera, omogućava simuliranje čitave projektovane mreže, uključujući podešavanje raznih senzora, komponenti i mnogo drugih osobina. Omogućuje korišćenje uređaja koji se mogu naći u prodaji. Posjeduje veoma bogatu bazu komponenti različitih proizvođača. U osnovi programskog paketa se nalaze alati Isis i Ares. Na Sl. 6 prikazan je glavni prozor programa Proteus Isis. File meni alata Isis sadrži sledeće komande: New design kreiranje novog zadatka, te podešavanje veličine radne površine; Open design otvaranje postojećeg projekta; Save design čuvanje tekućeg projekta; Import bitmap učitavanje Bitmap pozadinske slike; Export graphic čuvanje šeme u različitim formatima, kao što su Bitmap, pdf i dr.; Print štampanje šeme, kao i podešavanje opsega štampe. Pored File menija postoji standardni Edit meni koji sadrži opcije za kopiranje komponenti, kao i za vraćanje na prethodni korak. View meni sadrži opcije koje su povezane sa podešavanjem same radne površine, kao što su zumiranje, podešavanje komponenti radne površine, te alatnih okvira. Design meni omogućava dodavanje, izmjenu i brisanje pojedinih komponenti, kao i čitave radne površine. U meniju Graph podešavaju se komponente grafikona. Meni Source služi da bi se odredile postavke za učitavanje source datoteke u mikrokontroler, ali i kompajlirala source datotaka, ako nije kompajlirana. Debug meni je meni u kome se pokreće debug mod, tj. u kom se pokreće sama simulacija. Sadrži opcije za pokretanje, pauziranje i prekidanje simulacije, te podešavanje brzine simulacije, korak po korak. Library meni sadrži opciju Pick device symbol koja obezbjeđuje izbor komponente koja se želi dodati u šemu. Takođe, sadrži i opcije za pravljenje i podešavanje pojedinih simbola. - 1032 -
Slika 6. Radna površina programaskog paketa Proteus - Isis Moguće je uočiti da pored standardnog menija postoji meni sa izborom modova, gdje je moguće izabrati rad u pojedinim modovima. U prozoru devices se nalaze komponente koje su poslednje korišćene. B. Rad u programskom alatu Isis Sam rad počinje crtanjem šeme uređaja koji se pravi. Poželjno je izabrati odgovarajući mikrokontroler, a zatim na šemu dodavati komponente, te ih povezivati sa samim mikrokontrolerom. Da bi izabrali pojedinu komponentu potrebno je izabrati opciju Pick device / symbol u meniju Lybrary. Komponente su razvrstane po vrsti, ali se mogu pretraživati i po drugim osobinama, kao npr. traženje izvora napajanja po izlaznom naponu. Sve komponente je moguće izabrati iz liste ponuđenih, sa predefinisanim radnim karakteristikama, kao što ih imaju komponente u prodaji, dok je moguće izabrati i generičku komponentu, te joj ručno podesiti željene parametre, kao npr. probojnu struju diode. Ukoliko je potrebno dodati neki opisni tekst na šemu, potrebno je izabrati 2D graphic text mode, kliknuti na željenu poziciju i otkucati tekst. Po izboru komponenti i postavljanja na radnu površinu, potrebno je izvršiti njihovo povezivanje. Da bi povezali komponente potrebno je izabrati component mod, a kao kursor će se pojaviti olovka. Olovkom kliknuti na jedan pin uređaja koji se želi povezati, te zatim i na pin sa kojim je potrebno povezati uređaj. Pored svake komponente se nalazi tekst koji je moguće promijeniti. To je zapravo opis pojedinih komponenti, kao što je naziv i tip komponente. Dvostrukim klikom na pojedinu komponentu se ulazi u mod za podešavanje te komponente, gdje je pored samog opisa moguće podesiti i parametre izabrane komponente. Nakon procesa postavljanja i povezivanja komponenti potrebno je učitati HEX kod u mikrokontroler. Učitavanje se vrši na način da se dva puta klikne na mikrokontroler, a zatim se otvori prozor Edit component u kome je potrebno podesiti polje Program file, tako da pokazuje na HEX fajl. U Edit component modu mikrokontrolera je moguće podesiti i druge opcije, kao što je frekvencija rada mikrokontrolera i adresa reset vektora. U polju Other properties može se upisati tekst koji će se pojaviti na šemi ispod mikrokontrolera. Na Sl. 7 prikazan je izgled prozora Edit component. Po završetku učitavanja programa potrebno je izabrati opciju Start debugging iz menija Debug. Ukoliko u programu i u povezivanju nema nikakvih grešaka ispisaće se poruka da je proces uspješno završio, a ukoliko se pronađe greška ispisaće se informacija o grešci. Za početak izvršavanja simulacije potrebno je kliknuti na Execute u meniju Debug. - 1033 -
Slika 7. Prozor Edit component C. Programski alat Ares Dio programskog paketa Proteus predstavlja i program Ares. Ares je program za projektovanje štampanih pločica [3]. Veoma je koristan alat, te jako dobro nadopunjava program Isis. Ova dva programa zajedno daju veoma dobru osnovu, kako za projektovanje elektronskih kola, tako i za osnovu hardvera. Sam program je zasnovan na istom konceptu kao i Isis, tako da je nakon rada u programu Isis veoma jednostavno shvatiti osnovne koncepte programa Ares. Na Sl. 8 je prikazana šema uređaja koja je spremna za štampu i dalju hardversku izradu. Ares, isto kao i Isis, omogućava izbor kućišta pojedinih proizvoda, te njihovo postavljanje na dizajn. Komponente koje se koriste se prikazuju u stvarnim veličinama. Moguće je takođe odabrati veličine linija kojima se uređaji povezuju. U programu je obezbijeđen velik broj različitih formata za eksport projekta, koji su jako korisni u praktilčnom radu sa elektronskim pločama. Moguće je i učitati projekat iz programa Isis. U programu postoji opcija za kucanje opisa projekta, koji se vrlo jednostavno može odštampati zajedno sa samom šemom. Slika 8. Šema veza pripremljena za izradu IV. POREĐENJE PROGRAMA PIC SIMULATOR I PROTEUS Iz svega navedenog može se zaključiti da je program PIC Simulator jednostavniji za upotrebu i dosta se koristi u obrazovne svrhe. Primjeren je studentima nižih godina fakulteta, ili studentima kojima oblast mikrokontrolera i elektronike nije primarna. Program pruža dosta dobre mogućnosti simulacije, ali korisniku ne ostavlja mogućnost manipulacije. Pogodan je tamo gdje je potrebno simulirati i provjeriti rad programa koji je napisan za mikrokontroler. Ne posjeduje mnoge opcije, kao što je na primjer mogućnost paljenja mikrokontrolera iz sleep režima eksternom pobudom. Programski paket Proteus je za razliku od PIC Simulator IDE programa namijenjen iskusnijim i ambicijoznijim studentima, koji su dobrim korakom zakoračili u svijet mikroelektronike, ali i onim kojima su mikrokontroleri primarna djelatnost. Pruža veoma dobre mogućnosti učenja rada ne samo mikrokontrolera, nego i elektrionike uopšte. Dodatak osnovnom programu Isis, program Ares je takođe veoma koristan alat. Ovaj programski alat koristi velik broj profesionalaca. Loša strana oba ova programska paketa je što su relativno skupi za današnje standarde, te nepostojanje neke jeftine (studentske) verzije. Postoji demo verzija oba programa, ali na žalost u demo verziji postoje mnogobrojna ograničenja. ZAHVALNICA Istraživanja u ovom radu rađena su u sklopu izrade projektonog rada iz predmeta Mikroprocesorski sistemi na prvom ciklusu studija na Fakultetu za informacione tehnologije Slobomir P Univerziteta, pod mentorstvom asistenta Darka Lakića. LITERATURA [1] A. Žorić, Mikroprocesorski sistemi, neobjavljeno. [2] M. Verle, PIC mikrokontroleri, MikroElektronika, Beograd, 2008. [3] The VSM Advantage, dostupno na URL adresi: http://www.labcenter.com/products/vsm_overview.cfm, pristupljeno: 12. januar 2012. ABSTRACT The theme of this paper is to present two software tools, PIC Simulator IDE and Proteus, which are used to simulate the operation of the microcontroller. The concept of the microcontroller was described in the introduction with the emphasis on a PIC 16F877 microcontroller, which is also used in the implementation of projects and in this work. Environment of these programs and examples of work in both programs, with accompanying pictures, were briefly described. In the part of the work related to Proteus, was described the program Proteus ISIS, which is used to design the device and its simulation. There is also a brief description of ARES which is part of the Proteus software package, used for the preparation of printed circuit boards for the project. At the end of the paper is a brief comparation of these two software tools. Simulation PIC microcontroler Zeljko Gavric Stefan Tesanovic - 1034 -