[F.Abdelaziz]

ترجمة وإعداد كتاب : Advanced PIC Microcontroller Projects in C

[F.Abdelaziz]

الفصل الأول Chapter1

أنظمة الحواسب الدقيقة Microcomputer Systems

1-1 مقدمة
يستخدم المصطلح "الحواسب الدقيقة" لوصف النظام الذى يشمل على الأقل معالج دقيق "ميكروبرسسور" و ذاكرة برنامج و ذاكرة بيانات وجهاز مدخل – مخرج .
بعض نظم الحواسب الدقيقة تشمل مكونات إضافية مثل "المؤقتات" و "العدادات" و"المحولات من تناظرى لرقمى" . وهكذا فإن نظام الحاسب الدقيق يمكن أن يكون أى شىء من كومبيوتر كبير ذات أقراص صلبة وأقراص مرنة وطابعة إلى متحكم مدمج بشريحة مفردة .
فى هذا الكتاب سوف نتناول فقط نوع الحاسب الدقيق الذى يتكون من شريحة (رقاقة) سليكون مفردة . مثل هذه الأنظمة من الحواسب الدقيقة يطلق عليها أيضا اسم "الميكروكونترولر " أو المتحكم الدقيق وتستخدم فى العديد من الأجهزة المنزلية مثل فرن الميكروويف ووحدات التحكم عن بعد فى التليفزيون وأفران الطهى ومعدات الهاى فاى ومشغلات الأقراص المدمجة وفى الكومبيوتر الشخصى والثلاجات .
العديد من الميكروكونترولر متاحة فى السوق . فى هذا الكتاب سوف نتناول برمجة وتصميم نظام لسلسلة الميكروكونترولر PIC المصنع من قبل شركة ميكروشيب .

1-2 أنظمة الميكروكونترولر MicrocontrollerSystems

[F.Abdelaziz]

1-2 أنظمة الميكروكونترولر MicrocontrollerSystems
الميكروكونترولر هو كومبيوتر بشريحة (رقاقة) chip مفردة . كلمة "ميكرو" Micro تشير إلى أن الجهاز صغير وكلمة "كونترولر" controller تشير على أنه يستخدم فى تطبيقات التحكم .
أصطلاح آخر يطلق على الميكروكونترولر هو "المتحكم المضمن " embedded controller حيث أن معظم الميكروكونترولر تبنى (أو يتم تضمينها فى ) بالأجهزة التى تتحكم فيها .
يختلف الميكروبروسسور عن الميكروكونترولر فى عدد من السمات . الفرق الرئيسى هو أن المعالج الدقيق يتطلب العديد من المكونات الأخرى لعمله , مثل "ذاكرة البرنامج" و "ذاكرة البيانات" وأجهزة "المداخل والمخارج" ودائرة "ساعة خارجية" . وفى الجهة المقابلة فإن الميكروكونترولر لديه كل شرائح الدعم مدمجة داخل شريحته المفردة .
كل الميكروكونترولر تعمل على مجموعة من التعليمات (أو برنامج المستخدم ) والمخزنة فى ذاكرته . يجلب الميكروكونترولر التعليمات من "ذاكرة البرنامج" الخاصة به واحدة تلو الأخرى ويقوم "بترجمة " (تفسير – حل شفرة) هذه التعليمات ومن ثم ينفذ العمليات المطلوبة .
يمكن برمجة الميكروكونترولر باستخدام لغة "الأسمبلى" . على الرغم من أن لغة الأسمبلى سريعة إلا أن لها مساوىءعديدة . برنامج لغة الأسمبلى يتكون من "مفكرات" ( كلمة تساعدك على التذكر) , مما يجعل تعلم وحفظ البرنامج المكتوب بلغة الأسمبلى "صعب" . أيضا شركات تصنيع الميكروكونترولر المختلفة لها لغة أسمبلى مختلفة لذا يجب على المستخدم تعلم لغة "جديدة" مع كل ميكروكونترولر جديد يستخدمه .
يمكن أيضا برمجة الميكروكونترولر باستخدام "لغة رفيعة المستوى" مثل "البيزك" Basic أو "الباسكال" Pascal أو "السى" C . لغات المستوى الرفيع أسهل بكثير فى التعلم من لغات الأسمبلى . كما أنها أيضا تسهل تطوير (إنشاء) البرامج الطويلة والمعقدة . فى هذا الكتاب سوف نتعلم برمجة الميكروكونترولر PIC باستخدام لغة السى المعروفة باسم "الميكرو سى" mikroC والمطورة بمعرفة mikroElektronika .
من الناحية النظرية , شريحة واحدة تكفى لعمل نظام ميكروكونترولر . فى التطبيقات العملية تكون هناك حاجة لمكونات إضافية بحيث يمكن للحاسب الدقيق الربط والتفاعل مع بيئته . مع ظهور عائلة الميكروكونترولر PIC تم تخفيض الوقت اللازم لتطوير مشروع إلكترونى لعدة ساعات .
أساسا , تنفذ الحواسب الدقيقة "برنامج المستخدم" user program والذى يتم "تحميله" فى "ذاكرة البرنامج" . تحت سيطرة هذا البرنامج يتم : "استقبال البيانات" من الأجهزة الخارجية (المداخل inputs) ومعالجتها ومن ثم إرسالها إلى الأجهزة الخارجية (المخارج outputs ). على سبيل المثال فى نظام مبنى على الميكروكونترولر للتحكم فى درجة حرارة فرن : يقرأ الحاسب الدقيق درجة الحرارة باستخدام "حساس" (جهاز استشعار) ومن ثم يقوم بتشغيل "السخان" أو "المروحة" للحفاظ على درجة الحرارة عند القيمة المطلوبة . الشكل 1.1 يبين مخطط صندوقى لنظام بسيط للتحكم فى درجة حرارة الفرن .
النظام المبين بالشكل 1.1 بسيط جدا . النظام الأكثر تعقيدا قد يحتوى على "لوحة مفاتيح" لضبط درجة الحرارة ووحدة عرض LCD لبيان ذلك . الشكل 2.1 يبين المخطط الصندوقى لهذا النظام الأكثر تعقيدا .

يمكننا أن نجعل التصميم أكثر تعقيدا (أنظر الشكل 3.1 ) بإضافة جهاز تنبيه alarm والذى يعمل إذا خرجت (تعدت) درجة الحرارة عن المدى المطلوب . أيضا يمكن إرسال قراءة درجة الحرارة إلى جهاز الكومبيوتر الشخصى كل ثانية للتسجيل (الأرشفة) ولمزيد من المعالجة . على سبيل المثال يمكن عمل رسم (توقيع) بيانى لدرجات الحرارة اليومية على جهاز الكومبيوتر الشخصى . كما ترى , لأن الميكروكونترولر قابل للبرمجة فأن النظام النهائى يمكن أن يكون بسيط أو معقد كما نريد .
الميكروكونترولر هو أداة tool قوية جدا تسمح للمصمم بأنشاء معالجة بيانات الدخل والخرج بطريقة معقدة تحت سيطرة البرنامج . يصنف الميكروكونترولر بحسب عدد البتات bits التى يعالجها . الميكروكونترولر ذات الثمانى بتات 8-bits هو الأكثر إنتشارا ويستخدم فى معظم التطبيقات المبنية على الميكروكونترولر . الميكروكونترولر ذات 16 بت و ذات 32 بت أكثر قوة ولكن عادة ما يكون أكثر تكلفة وغير مطلوب فى معظم تطبيقات الأغراض العامة الصغيرة والمتوسطة .

القادم إن شاء الله :

تتكون بنية أبسط ميكروكونترولر من "المعالج الدقيق" microprocessor و "الذاكرة" memory

[F.Abdelaziz]

تتكون بنية أبسط ميكروكونترولر من "المعالج الدقيق" microprocessor و"الذاكرة" memoryو"المداخل والمخارج " input-output .
يتكون المعالج الدقيق من "وحدة المعالجة المركزية" CPU و "وحدة التحكم" CU . وحدة المعالجة المركزية هى "مخ أو عقل" الميكروكونترولر وهى المكان الذى يتم فيه إجراء (تنفيذ) جميع "العمليات الحسابية" و "العمليات المنطقية" . وحدة التحكم تتحكم فى العمليات الداخلية للميكروبروسسور وترسل إشارات إلى الأجزاء الأخرى للميكروكونترولر لتنفيذ التعليمات المطلوبة .

يمكن تقسيم "الذاكرة" , وهى جزء هام من الميكروكونترولر , إلى نوعين : "ذاكرة البرنامج"
program memory و "ذاكرة البيانات" data memory . ذاكرة البرنامج تحتفظ (تخزن) بالبرنامج المكتوب بمعرفة المبرمج وهى عادة "غير متطايرة" (أى أن البيانات لا تفقد بعد فصل القدرة ) , ذاكرة البيانات تحتفظ بالبيانات "المؤقتة" المستخدمة فى البرنامج وعادة ما تكون متطايرة (أى أن البيانات تفقد بعد فصل القدرة) .
يوجد أساسا ستة أنواع من الذاكرات نلخصها فيما يلى :

1.2.1 ذاكرة "الرام" RAM
ذاكرة RAM ( ذاكرة الوصول العشوائى) , هى ذاكرة "أغراض عامة" والتى عادة ما تخزن بيانات المستخدم فى البرنامج . ذاكرة الرام "متطايرة" بمعنى أنه لا يمكنها الاحتفاظ بالبيانات فى حالة غياب القدرة (أى أنه يتم فقد البيانات بعد فصل القدرة ) . معظم الميكروكونترولر بها كمية ما من ذاكرة الرام الداخلية والقيمة 256 بايت شائعة الاستخدام على الرغم من أن بعض الميكروكونترولر بها أكثر من ذلك والبعض الآخر أقل من ذلك . الميكروكونترولر PIC18F452 , على سبيل المثال , به 1536 بايت من ذاكرة الرام . عادة يمكن توسعة الذاكرة بإضافة شرائح ذاكرة خارجية .

2.2.1 ذاكرة "الروم" ROM
ذاكرة ROM ( ذاكرة القراءة فقط) وهى عادة تكون "غير متطايرة" إذا إزيلت القدرة عن ROM ثم تم أعادتها فإن البيانات الأصلية سوف تظل بها كما هى . ذاكرة ROM تبرمج أثناء عملية التصنيع والمستخدم لا يمكنه تغيير محتوياتها . ذاكرة ROM مفيدة فقط إذا كنت وضعت برنامج وترغب فى إنتاج عدة آلاف نسخه منه .

3.2.1 ذاكرة "البروم" PROM
ذاكرة PROM (ذاكرة قراءة فقط قابلة للبرمجة) هى نوع من ذاكرة ROM والتى يمكن برمجتها فى مجال التطبيق وغالبا من قبل المستخدم النهائى وذلك باستخدام جهاز يسمى "مبرمج PROM" . بمجرد برمجة ذاكرة PROM لا يمكن تغيير محتوياتها . تستخدم ذاكرة PROM عادة فى تطبيقات إنتاج كمية صغيرة والتى تتطلب فقط قليل من هذه الذاكرة .

4.2.1 ذاكرة "الإبروم" EPROM
ذاكرة EPROM ( ذاكرة قراءة فقط قابلة للمحو والبرمجة) تشبه ذاكرة ROM ولكن ذاكرة EPROM يمكن برمجتها باستخدام جهاز برمجة مناسب . ذاكرة EPROM بها نافذة صغير من الزجاج الشفاف بأعلى الشريحة حيث يمكن محو البيانات تحت تأثير أشعة فوف بنفسجية قوية . بمجرد برمجة الذاكرة يمكن تغطية النافذة بشريط داكن لمنع محو البيانات بطريقة عرضية . ذاكرة EPROM يجب أن تمحى قبل أن نتمكن من برمجتها . العديد من الميكروكونترولر يصنع بذاكرة EPROM حيث يمكن تخزين برنامج المستخدم . هذه الذاكرة تمحى ويتم إعادة برمجتها حتى يصبح المبرمج راضى عن البرنامج . بعض أنواع ذاكرة EPROM تعرف باسم OTP ( قابلة للبرمجة لمرة واحدة) يمكن برمجتها بجهاز برمجة مناسب لكن لا يمكن محوها . ذاكرة OTP تتكلف أقل من ذاكرة EPROM . عادة تستخدم ذاكرة OTP بعد اكتمال تطوير المشروع عندئذ يجب عمل نسخا كثيرة من البرنامج .

5.2.1 ذاكرة EEPROM
ذاكرة EEPROM ( ذاكرة قراءة فقط قابلة للمحو والبرمجة كهربائيا) هى ذاكرة غير متطايرة والتى يمكن محوها وإعادة برمجتها باستخدام جهاز برمجة مناسب . تستخدم ذاكرة EEPROM فى حفظ معلوات "التهيئة" configuration والقيم العظمى والصغرى وبيانات تحديد الهوية ..ألخ . بعض الميكروكونترولر يوجد ببنائها ذاكرة EEPROM. على سبيل المثال الميكروكونترولر PIC18F452 يحتوى على 256 بايت من ذاكرة EEPROM حيث يمكن برمجة ومحو كل بايت مباشرة ببرمجيات التطبيقات . ذاكرة EEPROM عادة ما تكون بطيئة جدا . شريحة EEPROM أكثر تكلفة من شريحة EPROM .

6.2.1 ذاكرة الفلاش (الوميض) FlashEEPROM
ذاكرة FlashEEPROM هى نوع من ذاكرة EEPROM أصبحت شائعة الاستخدام فى تطبيقات الميكروكونترولر وتستخدم لتخزين برنامج المستخدم . هذه الذاكرة غير متطايرة وعادة ما تكون سريعة جدا . يمكن محو البيانات ثم إعادة البرمجة باستخدام جهاز برمجة مناسب . بعض الميكروكونترولر بها فقط 1 كيلو بايت من هذه الذاكرة فى حين أن البعض الآخر به 32 كيلو بايت وأكثر . على سبيل المثال الميكروكونترولر PIC18F452 به 32 كيلو بايت من الذاكرة FlashEEPROM .

3.1 خصائص (سمات) الميكروكونترولر .

[F.Abdelaziz]

خصائص (سمات) الميكروكونترولر .
الميكروكونترولر من الشركات المختلفة له بناء مختلف وقدرات (إمكانيات) مختلفة . بعضها قد يناسب تطبيق معين بينما الآخر قد يكون غير مناسبا على الإطلاق لنفس التطبيق .
خصائص(سمات) الأجهزة hardware هى القواسم المشتركة لمعظم الميكروكونترولر والتى سوف نتناولها فى هذا الجزء .

1.3.1 جهد المنبعSupply Voltage
معظم الميكروكونترولر يعمل بجهد المنطق القياسى وهو +5V . يمكن لبعض الميكروكونترولر أن يعمل بجهد أقل حتى 2.7V والبعض الآخر يتسامح حتى +6V دون أى مشكلة . الداتا شيت الخاصة بالصناع يكون بها معلومات حول الحدود المسموح لجهد مصدر القدرة . الميكروكونترولر PIC18F452 يمكنه العمل بمصدر قدرة من +2V إلى +5.5V .
عادة يتم استخدام دائرة منظم جهد للحصول على جهد مصدر القدرة المطلوب عندما يتم تشغيل الجهاز من أدابتر أو بطاريات . على سبيل المثال : يكون مطلوب منظم جهد 5V إذا كان الميكروكونترولر يستخدم بطارية 9V .

2.3.1 الساعة The Clock

[F.Abdelaziz]

الساعة The Clock
جميع الميكروكونترولر تتطلب "ساعة" clock (أو مذبذب) للعمل وعادة ما يتم توفيرها بواسطة أجهزة توقيت خارجية توصل بالميكروكونترولر . فى معظم الحالات تكون هذه الأجهزة الخارجية عبارة عن بلورة "كريستال" crystal وعدد 2 مكثف صغير . فى بعض الحالات تكون عبارة عن "دائرة رنين" resonator أو تكون "دائرة مقاوم- مكثف" .
بعض الميكروكونترولر فى بناؤها دوائر توقيت ولا تحتاج إلى مكونات توقيت خارجية . إذا كان التطبيق غير حساس للتوقيت فإن مكونات التوقيت الداخلية أو دائرة المقاومة والمكثف تكون الخيار الأفضل لبساطتها وانخفاض التكلفة .
يتم تنفيذ التعليمة عن طريق "جلبها" fetching من الذاكرة ومن ثم "فك شفرتها" decoding . عادة يستغرق ذلك عدة دورات للساعة وتعرف "بدورة التعليمة" instruction cycle . فى الميكروكونترولر PIC تستغرق "دورة التعليمة الواحدة " "أربع دورات للساعة" . وبالتالى فأن الميكروكونترولر يعمل بمعدل ساعة يساوى "ربع تردد المذبذب الفعلى " . سلسلة الميكروكونترولر PIC18F يمكن أن تعمل بترددات ساعة حتى 40 ميجاهرتز .

3.3.1 المؤقتات Timers

[F.Abdelaziz]

المؤقتات Timers
المؤقتات هى أجزاء مهمة بأى ميكروكونترولر . "المؤقت" فى الأساس هو "عداد" والذى يتم قيادته من أى من "نبضات ساعة خارجية" أو من المذبذب الداخلى للميكروكونترولر .
يمكن أن يكون المؤقت باتساع 8 بت أو 16 بت . يمكن تحميل البيانات للمؤقت تحت سيطرة البرنامج ويمكن بدأ وإيقاف المؤقت عن طريق التحكم فى البرنامج . معظم المؤقتات يمكن إعدادها لتوليد المقاطعة عندما تصل لعدد معين (عادة عندما يدث فيضان أو طفحان overflow) . يمكن لبرنامج المستخدم استخدام المقاطعة لتنفيذ عمليات مرتبطة بالتوقيت الدقيق داخل الميكروكونترولر . سلسلة الميكروكونترولرPIC18F بها على الأقل ثلاثة مؤقتات.على سبيل المثال الميكروكونترولر PIC18F452 يمتلك فى بنائه ثلاثة مؤقتات. بعض الميكروكونترولر بها إمكانيات "الالتقاط" capture و "المقارنة" compare , حيث يمكن قراءة قيمة المؤقت عند وقوع "حدث" خارجى أو يمكن مقارنة قيمة المؤقت بقيمة محددة سلفا ويتم توليد مقاطعة عند الوصول لهذه القيمة. معظم سلسلة الميكروكونترولر PIC18F تمتلك على الأقل 2 موديول للالتقاط والمقارنة.

4.3.1 كلب الحراسة Watchdog

[F.Abdelaziz]

مؤقت كلب الحراسة Watchdog
معظم الميكروكونترولر تمتلك إمكانية "كلب الحراسة" واحدة على الأقل ."كلب الحراسة" فى الأساس هو "مؤقت" يتم تحديثه بواسطة برنامج المستخدم . كلما "فشل البرنامج" فى تحديث مؤقت كلب الحراسة يحدث "إعادة تشغيل" reset . يستخدم مؤقت كلب الحراسة فى "كشف مشكلة فى النظام" مثل "وجود البرنامج فى حلقة لا نهاية لها" . خاصية "الأمان أو السلامة" هذه تمنع البرمجيات من الخروج عن المسار ومن ثم منع الميكروكونترولر من تنفيذ شفرة لا معنى لها أو غير مطلوبة . تستخدم إمكانية كلب الحراسة فى أنظمة "الزمن الحقيقى" real-time حيث يجب التحقق بانتظام من "الإنهاء الناجح" لواحد أو أكثر من الأنشطة .


دخل "الإعادة" Reset Input
يستخدم دخل الإعادة فى إعادة تشغيل الميكروكونترولر خارجيا . "الإعادة" reset تضع الميكروكونترولر فى "حالة معروفة" مثل أن يبدأ تنفيذ البرنامج من عنوان "الصفر 0" لذاكرة البرنامج . يتم عادة تحقيق الإعادة الخارجية بتوصيل مفتاح "زر ضاغط" push-button بمدخل الإعادة . عند الضغط على المفتاح يتم "إعادة" الميكروكونترولر .


المقاطعات Interrupts
"المقاطعات" مفهوم هام فى الميكروكونترولر . المقاطعة تسبب استجابة الميكروكونترولر للأحداث الخارجة والداخلية (على سبيل المثال المقاطعة بالمؤقت) بشكل سريع جدا .
عند حدوث مقاطعة "يترك" الميكروكونترولر المسار الطبيعى لتنفيذ البرنامج و "يقفز" إلى جزء خاص من البرنامج يعرف "بروتين خدمة المقاطعة" ISR . يتم تنفيذ التعليمات البرمجية (الكود) الموجودة داخل روتين خدمة المقاطعة وعند عودته من هذا الروتين "يستأنف" البرنامج مساره العادى من التنفيذ.
يبدأ روتين خدمة المقاطعة من عنوان ثابت بذاكرة البرنامج يسمى أحيانا "عنوان متجه المقاطعة" . بعض الميكروكونترولر والتى بها خاصية "المقاطعة المتعددة" يكون لها مجرد عنوان "واحد فقط " لمتجه للمقاطعة فى حين أن البعض الآخر يكون به "عنوان منفرد" لكل مصدر مقاطعة . يمكن أن تتداخل nested هذه المقاطعات مثل أن تقوم مقاطعة جديدة بتعليق تنفيذ مقاطعة أخرى . ميزة هامة أخرى لمقدرة المقاطعة المتعددة هى إمكانية تخصيص مستويات أولوية مختلفة لمصادر المقاطعة المختلفة. على سبيل المثال سلسلة الميكروكونترولر PIC18F بها أولوية مستويات المقاطعة سواء "أولوية منخفضة" أو " أولوية مرتفعة" .