PIC18: trasmissione seriale asincrona

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PIC18 e UART: connessione USB

L'interfaccia seriale asincrona è un "protocollo antico", ma ancora utilizzato sebbene in un contesto ben diverso da quello di 50 anni fa. In questa pagina vedremo come utilizzarla per trasmettere dati da un PIC18 ad un PC o ad un telefonino attraverso le interfacce USB oppure Bluetooth.

Il segnale seriale asincrono

Innanzitutto esaminiamo la "forma" del segnale che il PIC dovrà trasmettere:

come espresso dal nome abbiamo a che fare con un segnale seriale, cioè un protocollo di trasmissione in cui tutti i bit che costituiscono l'informazione utilizzano un solo filo e sono trasmessi in sequenza, "serialmente"
il segnale è a-sincrono, cioè privo di sincronismo (clock). Di conseguenza, per riconoscere inizio e fine di un bit, è necessario che ciascuno di essi abbia durata rigorosamente costante
è necessario riconoscere l'inizio di una sequenza di bit. A questo scopo viene utilizzato un bit di start (sempre uguale) da trasmettere obbligatoriamente all'inizio
infine è necessario riconoscere il termine di una sequenza di bit. Questo tipo di protocollo prevede la trasmissione di un numero fisso di bit alla volta, per cui è sufficiente che il ricevitore sappia contare

Quando è necessario trasmettere e ricevere, vengono utilizzati due fili separati: Tx (trasmissione) e Rx (ricezione), ma l'esempio mostrato si limita ad una comunicazione simplex.

Esercizio

Negli esercizi qui sotto proposti trasmettitore e ricevitore si sono accordati per trasmettere secondo i seguenti parametri (nota 3):

In assenza di trasmissione, la linea assume un livello logico alto
Un 1 è un segnale alto, uno 0 un segnale basso (no, non è ovvio)
Il bit di start vale 0 (ovviamente...)
Ciascun bit ha durata di 104 µs (cioè sono trasmessi 9600 bit ogni secondo; in gergo: Baud Rate di 9600 bps)
Vengono trasmessi 8 bit alla volta, un byte
Viene trasmesso per primo il bit meno significati (quello che in occidente si scrive a destra)

Dato il seguente segnale, codificato con i dati sopra riportati, riconoscere il byte trasmesso.

Trasmissione seriale asincrona: 0x35

[Risposta: 0x35 - 0011 0101]

Esercizio (complesso)

Dato il seguente segnale, codificato con gli stessi dati sopra riportati, riconoscere i byte trasmessi. Notare il cambiamento nella base dei tempi rispetto al diagramma temporale precedente.

Esercizio

Il circuito

Il circuito è particolarmente semplice in quanto verranno utilizzati (in alternativa) due moduli già assemblati, facilmente reperibili in commercio per pochi euro:

Un adattatore USB - UART, adatto per esempio per collegare un normale PC desktop
Un adattatore Bluetooth - UART, adatto per esempio per collegare un telefonino oppure un PC portatile.

Entrambi gli adattatori sono disponibili con connettori facili da inserire in una breadboard, come quello visibile nella fotografia di apertura; il secondo è anche uno dei moduli opzionali già presenti su PICdemo R2.

Il collegamento tra PIC e modulo è estremamente semplice:

Collegare le due masse (GND). Se il modulo USB termina con fili, in genere è quello di colore nero (verificare!). Altrimenti è indicato in chiaro sulla serigrafia
(solo per il modulo bluetooth) Fornire l'alimentazione di 3.3 V al modulo, prelevandola direttamente da quella del PIC (nota 1)
Collegare il pin TX (trasmissione) del PIC (pin 17, RC6) al pin RX (ricezione) del modulo (nota 2). Se il modulo USB termina con fili, in genere RX è quello di colore bianco (verificare!). Altrimenti è indicato in chiaro sulla serigrafia

Il codice

Il primo programma mostrato trasmette continuamente, circa 10 volte al secondo, ad un terminale USB oppure Bluetooth un saluto costituito da "Hi" seguito da un a capo (i due caratteri ASCII CR e LF).

Il nucleo del codice che trovate a fondo pagina è costituito da due subroutine:

configura_uart. Questa subroutine deve essere richiamata all'inizio del programma, una sola volta, e permette di impostare correttamente il funzionamento della periferica EUSART interna al PIC18. In particolare:

Imposta la velocità di trasmissione a 9600 bit/s, configurando i registri SPBRG, SPBRGH e i flag BRGH e BRG16 secondo le tabelle disponibili sui fogli tecnici e che qui sono riportate per estratto
Attiva la periferica EUSART in modalità asincrona, agendo sui registri RCSTA e TXSTA

invia_byte Questa subroutine trasmette al modulo Bluetooth oppure USB il byte contenuto in WREG, attendendo la fine della trasmissione. Questa funzione va richiamata ad ogni trasmissione di un singolo byte, dopo aver caricato in WREG il byte da trasmettere. In particolare:

Scrive il byte da trasmettere nel registro di trasmissione TXREG
Attende che il flag TXIF (registro PIR1) segnali che il registro di trasmissione TXREG sia vuoto, cioè che il byte sia stato trasmesso

Non è necessario comprendere nel dettaglio il funzionamento di queste due subroutine, piuttosto tecniche in quanto modificano molti bit in molti registri. E' invece necessario avere chiare le funzioni svolte ed essere in grado di utilizzarle.

RCSTA

Tabella 18.3

Generatore di clock

Tabella 9.4

A fondo pagina è presente anche un secondo codice nel quale viene mostrato come trasmettere una stringa. In esso sono presenti anche tecniche non elementari, quali l'uso di stringhe e di variabili inizializzate.

Un limite del codice mostrato è legato al fatto che, all'interno della subroutine invia_byte, è presente un ciclo che attende la trasmissione del byte inserito nel registro TXREG, perdendo tempo che potrebbe essere utilizzato per attività più utili. Per valutare questo aspetto potrebbe essere utile considerare che, nell'esempio mostrato:

per trasmettere un byte a 9600 bit/s è necessario un tempo di circa 1 ms
il PIC18 in un millisecondo esegue circa 250 istruzioni quando il clock è impostato a 1 MHz. Queste istruzioni sono "perse"

Tale comportamento viene a volte indicato come codice bloccante in quanto blocca l'esecuzione del codice in attesa di un evento esterno determinato, in questo caso il termine della trasmissione di un byte. Per una possibile soluzione, si veda l'esercizio 1.

Configurare il PC o il telefono per ricevere

Prima di collegare un PC è bene collegare un oscilloscopio per osservare il segnale trasmesso dal PIC18. Se il segnale è corretto possiamo proseguire sapendo che il lato trasmissione funziona correttamente.

USB (Linux)

Innanzitutto è necessario collegare il modulo USB al PC. Appena collegato, anche a PIC spento, dovrebbe apparire il device /dev/ttyUSB0 (o qualcosa dal nome simile), per esempio;

vv@vv-inspiron:~$ ls -l /dev/tty*
crw-rw-rw- 1 root tty 5, 0 ago 10 10:20 /dev/tty
crw--w---- 1 root tty 4, 0 ago 10 10:20 /dev/tty0
...
crw-rw---- 1 root dialout 188, 0 ago 10 10:20 /dev/ttyUSB0

Verificare inoltre che l'utente appartenga al gruppo dialout (oppure tty):

vv@vv-inspiron:~$ groups
vv dialout cdrom floppy audio dip video plugdev netdev bluetooth pico

Per leggere i caratteri inviati dal PIC occorre usare (o scrivere) un programma per visualizzare quanto ricevuto. Per esempio di seguito la configurazione e l'uso di PuTTY.

Configurazione PuTTY PuTTY

USB (Windows)

La procedura sopra descritta dovrebbe funzionare anche con MS Windows (non testato). L'interfaccia seriale in genere è identificata come COMxx

Bruetooth (Android)

Occorre preliminarmente installare una App per gestire terminali Bluetooth, per esempio Bluetooth Terminal. Quindi si procede all pairing tra telefono e modulo Bluetooth HC-06 / HC-04 usando i normali strumenti Android. Se richiesto, il codice di default è 1234. Prima del pairing il LED sul modulo Bluetooth dovrebbe lampeggiare lentamente, dopo dovrebbe rimanere acceso fisso.

Infine di avvia l'App, e si seleziona il modulo

Il codice

UART-TX.asm - Trasmissione seriale asincrona
UART-Tx-String.asm - Trasmissione seriale asincrona di una stringa. Il progetto include l'uso di variabili inizializzate e quindi deve essere presente anche il file idata.asm

Esercizi

Scrivere la subroutine invia_byte_no_block in cui l'esecuzione del return segue immediatamente la scrittura del byte in TXREG. Ovviamente è comunque necessario un controllo del fatto che il registro di trasmissione sia vuoto prima di trasmettere un nuovo byte

Note

Il modulo USB è alimentato direttamente dal PC e quindi non necessita di essere alimentato dal PIC. E' possibile anche collegare le due alimentazioni e NON alimentare separatamente il PIC, per esempio disattivando il flag presente nella configurazione del PICkit
In questa pagina non viene affrontata la trasmissione da PC/telefonino a PIC
Ovviamente è solo un esempio (anche se questi parametri sono ampiamente usati nel mondo reale)

Data di creazione di questa pagina: marzo 2017
Ultima modifica: 18 aprile 2018