รายละเอียดส่วนย่อย สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า: ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูลPIC

PIC Microcontroller

บทนำ

ไมโครคอนโทรลเลอร์เกิดจากคำสองคำที่นำมาผสมกัน นั่นคือคำว่า “ไมโคร” รวมกับคำว่า “คอนโทรลเลอร์” คำว่า ไมโคร คือ คำอุปสรรค (prefixes) เมื่อค่าในหน่วยฐานหรือหน่วยอนุพัทธ์น้อยหรือมากเกินไปเราอาจเขียนค่านั้นอยู่ในรูปตัวเลขคูณ ด้วย ตัวพหุคูณ (ตัวพหุคูณ คือ เลขสิบยกกำลังบวกหรือลบ) ได้ ตัวอย่างเช่น ระยะทาง 0.002 เมตร เขียนเป็น เมตร แทนด้วยคำอุปสรรค มิลลิ (m) ดังนั้นระยะทาง 0.002 เมตร อาจเขียนได้ว่า 2 มิลลิเมตร คำอุปสรรคที่ใช้แทนตัวพหุคูณและสัญลักษณ์ แสดงไว้ในตาราง SI (The International System of Units) ซึ่งในที่นี้ใช้คำว่าไมโครมีค่าเท่ากับ ซึ่งน้อยมาก ส่วนคำว่าคอนโทรลเลอร์ก็คือตัวควบคุม หากรวมกันแล้ว นั่นก็หมายความว่า ตัวควบคุมที่มีขนาดน้อยมากหรือเล็กมาก ไมโครคอนโทรลเลอร์จะมีให้เลือกมากมายหลายตระกูลและหลายบริษัท เช่นไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล MCS-51 ของบริษัท Philips ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR ของบริษัท ATMEL และไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล PIC ที่บริษัท Micro chip เป็นผู้ผลิต

ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล PIC ได้ถูกพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง จนสามารถนำมาใช้งานในการควบคุมได้อย่างหลากหลาย เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ครบครัน อีกทั้งยังง่ายต่อผู้ที่เริ่มเรียน คือสามารถที่จะเรียนรู้ได้ง่ายและสามารถนำไปใช้งานได้จริง เนื่องจากมีประสิทธิภาพที่สูง ราคาถูก เป็นที่นิยม และมีให้เลือกมากมายหลายเบอร์

1.1 ความเป็นมาของ PIC

ในปี ค.ศ. 1977 บริษัท General Instrument หรือบริษัทไมโครชิพในปัจจุบัน ได้มีการผลิตไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC (Peripheral Interface Controller) ออกมาวางจำหน่าย PIC เบอร์แรกที่ผลิตออกมาก็คือ PIC1650

การออกแบบ PIC จะยึดถือการออกแบบที่ว่ารวมทุกอย่างไว้ใน chip ตัวเดียวโดยไม่ต้องต่ออุปกรณ์ใดๆ เพิ่มเติม ได้แก่ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) หน่วยความจำโปรแกรม, หน่วยความจำข้อมูล, Timer, EEPROM,Feedback Control, , CCP, ADC (analog to digital convertor) เป็นต้น ผลที่ตามมาก็คือแผ่นวงจรจะมีขนาดเล็ก และอุปกรณ์ที่ใช้จะไม่มาก บางงานอาจจะใช้แค่ PIC เพียงตัวเดียวโดยไม่ต้องใช้ chip อื่นมาเพิ่มเติมเลย นี่คือคุณสมบัติพิเศษของ PIC ซึ่งปัจจุบันหลายบริษัทที่ผลิต microcontroller ก็เริ่มจะหัดมาเลียนแบบแนวทางนี้ครับ แต่ทุกอย่างย่อมมีข้อเสีย เนื่องจาก concept ที่จะรวมทุกอย่างไว้ใน chip เดียว ทำให้ program memory และ data memory ไม่สามารถขยายโดยใช้กับ memory ภายนอกได้ในทางทฤษฎี PIC จึงเหมาะสำหรับงานเล็กๆ ไม่ใช่งานใหญ่ๆ ที่ต้องใช้การคำนวณ memory เยอะๆ ความเร็วในการทำงานของ PIC ปัจจุบันสัญญาณนาฬิกาสูงสุดของ PIC มีค่าเท่ากับ 20 MHz ดังนั้นหนึ่งคำสั่งของ PIC ใช้เวลาเพียง 0.25 usec

ในปัจจุบันนี้ PIC ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้งานกันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือต่างๆ ตัวอย่างเช่น การนำมาควบคุมการแสดงผลของจอแสดงผล,การนำมาส่งสัญญาณเพื่อสร้างคลื่นพาห์สำหรับการส่งอินฟราเรด, การนำมาควบคุมการปิด-เปิดสวิตช์ด้วยสัญญาณคลื่นวิทยุ, การนำมาควบคุมในเตาหุงต้มเหนี่ยวนำความร้อน, การนำมาควบคุมวงจรจุดชนวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง, การนำมาควบคุมหุ่นยนต์ เป็นต้น

1.2 ลำดับขั้นตอนการใช้งาน PIC

ดังรูปที่ 1.2 จะเป็นการอธิบายลำดับขั้นตอนการสร้าง PIC เพื่อนำไปใช้งานในการควบคุมต่างๆ โดยสังเขป เพื่อที่จะให้ผู้อ่านได้เข้าใจง่ายและสามารถเรียนรู้ได้ไว โดยมีรายละเอียดลำดับขั้นตอนดังนี้

รูปที่ 1.2 หน้าต่างโปรแกรม CCS ‘C’ compiler

ลำดับที่ 1 การเขียนโปรแกรมภาษาซี

การเขียนโปรแกรมภาษาซีสำหรับ PIC จะมีหลากหลายโปรแกรมให้เลือกใช้ ตัวอย่างเช่นโปรแกรม MikroC for PIC,โปรแกรม PIC Basic PRO,โปรแกรม C Compiler และโปรแกรม CCS ‘C’ Compiler ซึ่งจะเป็นภาษาซีที่แตกต่างกันไม่มากนัก ส่วนในหนังสือเล่มนี้จะใช้โปรแกรม CCS ‘C’ Compiler เนื่องจากโปรแกรมนี้ใช้ภาษาซีที่ผู้อ่านสามารถทำความเข้าใจได้ง่ายมากกว่าโปรแกรมอื่นๆ มีการพัฒนาโปรแกรมมาอย่างต่อเนื่อง มีฟังก์ชันต่างๆให้เลือกใช้งานมากมาย จึงเหมาะสมกับผู้เริ่มต้น เช่น ฟังก์ชัน LCD.C ที่ผู้ออกแบบโปรแกรมได้เขียนเอาไว้ในไฟล์ driver มาอ้างอิง เพื่อที่จะเป็นการอำนวยความสะดวกให้ผู้ศึกษาสามารถดึงไฟล์ driver ตัวดังกล่าวมาใช้ได้เลย อีกทั้งโปรแกรมนี้เป็นที่นิยมเป็นอย่างมาก จึงทำให้เกิดการแชร์ประสบการณ์ของนักเขียนโปรแกรมต่างๆ มีการแลกเปลี่ยนความคิด ร่วมกันปรึกษาปัญหาในการออกแบบและแก้ไขโปรแกรม และทำให้เกิดกระบวนการเรียนรู้ที่พัฒนามากยิ่งขึ้นไป สำหรับการเขียนโปรแกรมนั้น จะได้กล่าวต่อไปในบทที่ 2

รูปที่ 1.3 การจำลองการทำงานด้วยโปรแกรม Proteus

ลำดับที่ 2 การจำลองการทำงาน (Simulation)

การจำลองการทำงานบนคอมพิวเตอร์ด้วยโปรแกรม PROTEUS เป็นโปรแกรมจำลองการทำงานของวงจรไฟฟ้าและสามารถออกแบบแผ่นปริ้นท์ได้อีกด้วย โปรแกรมนี้จะช่วยให้ผู้เขียนโปรแกรมสามารถดูผลการทำงานของโปรแกรม ก่อนที่จะทำการอัดโปรแกรมลงในตัวชิพ จึงช่วยให้ผู้เขียนโปรแกรมสามารถตรวจสอบข้อผิดพลาดของโปรแกรมได้ ในโปรแกรมจะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ต่างๆ ให้เลือกใช้มากมายตัวอย่างเช่น หลอด LED สีต่างๆ สวิตซ์ปุ่มกด ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ แบตเตอร์รี่ 7-Segment จอแอลซีดี มอเตอร์ต่างๆ รวมไปถึงเครื่องมือวัดต่างๆ เช่น oscilloscope, volt meter, Amp meter ดังจะกล่าวในบทที่ 3 ต่อไป

รูปที่ 1.4 การถ่ายโอนชุดคำสั่งเข้าสู่ตัวชิพ

ลำดับที่ 3 การถ่ายโอนชุดคำสั่งจากคอมพิวเตอร์สู่ PIC (Compiler)

การถ่ายโอนชุดคำสั่งหรือคอมไพเลอร์นั้น มีอยู่ 2 วิธีคือ 1)โปรแกรมผ่านพอร์ตอนุกรมและ 2)โปรแกรมผ่านพอร์ต USB ซึ่งการเลือกใช้ว่าจะโปรแกรมด้วยวิธีไหนนั้นขึ้นอยู่กับความสะดวกของผู้ใช้ เนื่องจากคอมพิวเตอร์ Note Book รุ่นใหม่ๆจะไม่มีพอร์ตอนุกรม การโปรแกรมผ่านพอร์ต USB จึงง่ายกว่าและสะดวกกว่าสำหรับคอมพิวเตอร์ Note Book การโปรแกรมผ่านพอร์ต USB นั้น จะใช้บอร์ด Pic kit 2 และจะต้องใช้ควบคู่กันกับโปรแกรม Pic Kit 2 ดังจะกล่าวในบทที่ 4 ต่อไป

ลำดับที่ 4 การนำ PIC ไปต่อใช้งาน

การต่อใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC นั้น เป็นเรื่องง่ายมาก เนื่องจากทางบริษัทไมโครชิพมีแนวคิดคือการพยายามรวมเอาทุกอย่างไว้ในชิพตัวเดียวกัน การต่อเพิ่มเติมจึงมีไม่มาก เพียงจ่ายไฟเลี้ยงให้ ต่อวงจรสร้างสัญญาณนาฬิกา และวงจรรีเซ็ตเป็นวงจรพื้นฐานเท่านั้น ซึ่งในแต่ละการทดลองจะมีบอกไว้ อาจจะมีการเชื่อมต่อหน่วยความจำจากภายนอกก็ต่อเมื่อใช้งานมากขึ้นเท่านั้น เช่นการเชื่อมต่อกับไอซีที่บอก วัน/เดือน/ปี ในงานที่จำเป็นต้องเชื่อมต่อเช่น การสร้างนาฬิกาดิจิตอลเป็นต้น