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Implementacin de Comunicacin USB con Microcontrolador PIC18F4550 y LabVIEW

Lic. Fsica Yohan Prez-Moret

PCB por La Derecha contacto@pcbporladerecha.com

1. Resumen

Se presenta el desarrollo, simulacin e implementacin de la comunicacin USB con un microcontrolador PIC18F4550 y LabVIEW. El cdigo programado al microcontro-lador PIC enva cclicamente la lectura de su conversor anlogo-digital (AD) y el estado del pin RA4 a una computadora personal a travs del bus USB. El cdigo del microcontrolador fue escrito en lenguaje C, con el compilador CCS 4.018. En LabVIEW 8.0 se gener el driver para el dispositivo USB y se dise un instrumento virtual (VI) para atender la co-municacin. El VI se encarga de graficar la lectura AD del PIC y a peticin del usuario que lo opera de enviarle un valor de un byte, el cual es cargado en el puerto B del PIC. Se rea-liza la simulacin utilizando Proteus 7.2 y el VI diseado. Por ltimo se muestra la imple-mentacin prctica en la placa de demostracin PICDEM 2 plus, la cual fue modificada para la funcionalidad USB. Palabras claves: USB, microcontrolador PIC, LabVIEW, PICC, MPLAB, Instrumenta-cin, PICDEM. 2. Introduccin El bus serie universal o en sus siglas en ingls: USB, posee algunas ca-ractersticas como son: Integridad de la seal por el uso de

apantallamientos, drivers y receptores diferenciales.

Los dispositivos USB de clase HID (Human Interface Device) son sopor-tados por los sistemas operativos des-de Windows Millennium en adelante.

En dispositivos USB 2.0 se pueden transmitir datos a razn de 480 mega-bits por segundo.

Los cables USB individuales pueden extenderse hasta 5 m de distancia y ms con el uso de multiplexores de puertos o HUB.

El bus USB puede suplir hasta 500 mA @ 5 V a cada uno de los disposi-tivos conectados, eliminando el uso

de fuentes y cables externos en apli-caciones de baja potencia.

Esas caractersticas, por citar solo algunas, hacen del bus USB una opcin til en aplicaciones de instrumentacin electrnica. Muchos fabricantes de mi-crocontroladores programables como Mi-crochip, estn incluyendo un modulo USB en sus dispositivos. Facilitando el desarrollo de aplicaciones de instrumen-tacin que aprovechen las capacidades USB.

Por otra parte, el soporte brindado por los fabricantes de computadoras per-sonales (PC) a los puertos seriales RS-232 y paralelos Centronics, de amplio uso entre los instrumentistas, cada vez es me-nor. En la actualidad es comn que una PC incluya solo un puerto serial RS-232, o ninguno en el caso de algunas portti-les, y s varios puertos USB. En el presente trabajo se presenta el uso del mdulo USB que posee el mi-

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crocontrolador PIC18F4550 (1) del fabri-cante Microchip y su atencin utilizando LabVIEW 8.0. 2.1. Estructura USB La funcionalidad de los dispositi-vos USB est estructurada en capas, vase la Fig. 1. La capa de mayor jerarqua, des-

pus del dispositivo en s, es la de confi-guracin. Un dispositivo puede tener ml-tiples configuraciones. Por ejemplo, un dispositivo puede tener varias exigencias de energa segn el modo en que est: auto-energizado o bus-energizado.

Fig. 1. Estructura de capas del USB

Por cada capa de configuracin pueden existir mltiples capas de interfa-ces. Por debajo de la interfaz estn los endpoints. Los datos son transferidos di-rectamente a ese nivel. El endpoint-0 es siempre de control y cuando un dispositi-vo se conecta al bus debe estar disponi-ble.

La informacin comunicada al bus est agrupada en paquetes temporales de 1 ms conocidos como frames. Cada frame puede contener tantas transacciones como dispositivos y enpoints estn conectados. Transferencias Hay cuatro tipos de transferencias especificadas por la norma USB (2). Isocrnica: Provee un mtodo para

transferir grandes cantidades de datos (hasta 1023 bytes) con una temporiza-cin de envo asegurada (isocrnica: de igual tiempo); aunque la integridad de los datos no se asegura. Utilizado en aplicaciones de transmisin conti-

nua (streaming) y donde pequeas prdidas de datos no son crticas, co-mo en el caso de transmisin de au-dio.

Bulk: Este mtodo de transferencia permite el envo de grandes cantida-des de datos, asegurando su integri-dad. Pero no se garantiza la tempori-zacin entre envos.

Interrupcin: Este mtodo asegura la temporizacin y la integridad de los datos para pequeos bloques de datos.

Control: Este tipo de transferencia es para configuracin y control del dis-positivo conectado al bus USB.

Los dispositivos de alta velocidad soportan todos los tipos de transferencia; el resto est limitado a transferencias por interrupcin y control. 3. Materiales y Mtodos Para la implementacin y montaje de la comunicacin USB se utilizaron las siguientes herramientas:

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compilador de C PIC-C versin 4.018 (3): para la escritura del cdigo fuente y la generacin del archivo de programacin HEX del PIC.

Proteus 7.2 (4): entorno de captura y simulacin de circuitos electrnicos. La versin 7.2 incluye libreras para el microcontrolador PIC18F4550 y la simulacin USB.

LabVIEW 8.0: Entorno de programa-cin grfica.

PICDEM 2 Plus de Microchip: Placa de demostracin para el trabajo con los microcontroladores de la gama media y alta. Posee mdulos de hard-

ware prediseados de alimentacin, visualizacin con LCD y LED, so-ckets de 18, 28 y 40 pines as como terminales para fcil acceso a los puertos.

Cable de conexin USB tipo A plug para conexin del PIC a la PC.

Microcontrolador PIC18F4550 Si no se dispone de recursos mate-riales como el PIC18F4550 y el PICDEM 2 Plus, el trabajo puede realizarse hasta la etapa de simulacin con el uso de PICC y Proteus.

Fig. 2. Circuito diseado en Proteus solo para fines de simulacin USB con el PIC18F4550

En Proteus se mont el circuito de la Fig. 2 con el fin de simular el compor-tamiento del microcontrolador PIC18F4550 y el bus USB. Al puerto B del PIC se conectaron diodos LED para visualizar el dato de tipo byte recibido va USB.

El PIC fue programado en Proteus con el archivo tipo COF generado durante la compilacin del cdigo fuente. Este ltimo se muestra en el anexo A y al cual volveremos ms adelante.

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA3/AN3/VREF+5

RA4/T0CKI/C1OUT/RCV6

RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT7

RA6/OSC2/CLKO14

OSC1/CLKI13

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA33

RB1/AN10/INT1/SCK/SCL34

RB2/AN8/INT2/VMO35

RB3/AN9/CCP2/VPO36

RB4/AN11/KBI0/CSSPP37

RB5/KBI1/PGM38

RB6/KBI2/PGC39

RB7/KBI3/PGD40

RC0/T1OSO/T1CKI 15

RC1/T1OSI/CCP2/UOE 16

RC2/CCP1/P1A 17

VUSB18

RC4/D-/VM 23

RC5/D+/VP 24

RC6/TX/CK 25

RC7/RX/DT/SDO 26

RD0/SPP0 19

RD1/SPP1 20

RD2/SPP2 21

RD3/SPP3 22

RD4/SPP4 27

RD5/SPP5/P1B 28

RD6/SPP6/P1C 29

RD7/SPP7/P1D 30

RE0/AN5/CK1SPP 8

RE1/AN6/CK2SPP 9

RE2/AN7/OESPP 10

RE3/MCLR/VPP 1

U1

PIC18F4550

VCC 1D+ 3D- 2

GND 4J1

USBCONN

RV1

1k

VDD

RA4

470R

10k

470R

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3.1. Configuracin del Reloj del PIC para el uso del mdulo USB El PIC18F4550 incluye un sistema de generacin de reloj distinto a los mi-crocontroladores de su misma gama. Ello para poder cumplir los requerimientos del USB en alta y baja velocidad. El PIC18F4550 incluye un sistema de pres-calers y postscalers que garantizan la fre-cuencia del mdulo USB en alta y baja velocidad a partir de diferentes valores de un oscilador primario. Sucede que el m-dulo USB solo acepta 6 MHz para el mo-do de baja velocidad o 48 MHz para alta velocidad, respectivamente. Por ello, el microcontrolador ofrece un juego de fusi-bles, que bien configurados, permiten lograr dichas velocidades a partir de otras frecuencias del reloj externo utilizado. En la seccin 2.0 de la referencia (1) se dan los detalles sobre la configuracin del reloj del mdulo USB. Cuando se disea el cdigo fuente para usar el mdulo USB del PIC18F4550, en la lnea que define la frecuencia del oscilador se debe incluir la frecuencia a usar en el ncleo del micro-controlador, que no necesariamente tiene que coincidir con la del oscilador utiliza-do. Por ejemplo, en nuestro caso se em-ple un oscilador activo de 4 MHz, no obstante, en la lnea 39 del cdigo fuente, ver anexo A, se defini otro valor de fre-cuencia: 24 MHz, el cual corresponde a la frecuencia a la que trabajar el ncleo del microcontrolador al ser activado el PLL multiplicador de frecuencia, necesario en este caso para generar la frecuencia co-rrecta al mdulo USB.

Luego, en la lnea 40, se progra-maron los fusibles USBDIV, PLL y CPUDIV con valores tales que garanticen que a partir de los 4 MHz del oscilador externo, el mdulo USB trabaje a la fre-cuencia de 48 MHz definida en la lnea 39. Es importante sealar tambin que para utilizar el mdulo USB no cualquier valor de reloj es vlido. En la seccin 2.3 de la referencia (1) se muestra una tabla con las frecuencias y tipos de osciladores compatibles con el USB, relacionados con los valores de los fusibles de configu-racin USBDIV, PLL y CPUDIV. Una seccin de esa tabla se reproduce en la Fig. 3. Por ejemplo, si se dispone del os-cilador HS de 24 MHz de la columna Input Oscillator frecuency de la Fig. 3, entonces las frecuencias posibles para el ncleo del microcontrolador seran 24 MHz, 12 MHz, 8 MHz y 6 MHz, se-gn la columna Microcontroller Clock Frecuency. Suponiendo que escogemos la frecuencia de 8 MHz para el ncleo tendramos que escribir las siguientes lneas de cdigo en PICC: #fuse delay(clock=8000000) #fuses HS, NOWDT, NOPROTECT, NOLVP, NODEBUG, USBDIV, PLL6, CPUDIV3, VREGEN Ntese que en la primera lnea de cdigo anterior, no se defini la frecuen-cia del oscilador externo HS de 4 MHz, sino la frecuencia de trabajo resultante del PLL y CPUDIV escogidos.

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Fig. 3. Seleccin de la frecuencia USB a partir de la frecuencia del oscilador de entrada

3.2. Descriptores USB Cuando un dispositivo USB es conectado a la PC el sistema operativo es capaz de reconocer su fabricante, identifi-cador de producto e instalarle un driver estndar HID o abrir un asistente para encontrar el adecuado. Tambin muestra mensajes sobre el estado del dispositivo, marca, modelo, etc. Toda esa informacin que requiere el sistema operativo para identificar al dispositivo USB est alma-cenada en el microcontrolador PIC, en una zona de memoria RAM USB. En par-ticular en el banco 4 de la RAM USB, destinado al buffer de descriptores. Los descriptores son archivos que se incluyen junto al cdigo fuente para ser grabados a esa zona de memoria RAM USB. El diseo de un descriptor es el tema de mayor complejidad en el uso de

la comunicacin USB. Las referencias (2; 5) brindan informacin sobre el diseo de descriptores. En nuestro caso tomamos y adaptamos el descriptor brindado en uno de los ejemplos USB del compilador CCS los cuales tambin son una referencia de consulta vlida. El anexo B muestra el descriptor agregado al cdigo fuente del microcon-trolador. La inclusin del descriptor en el archivo fuente se realiz a travs de la directiva include de la lnea 64 de este ltimo. En el descriptor se incluyen el identificador del fabricante del dispositi-vo (VID) y el identificador del producto (PID). Esos identificadores son utilizados por el sistema operativo de la PC para encontrar el driver apropiado al dispositi-vo USB. Las lneas 184 y 185 del descrip-

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tor, vase el anexo B, contienen el VID y el PID, respectivamente. La lnea 131 declara el tipo de transferencia que sopor-tar el dispositivo, en este caso el cdigo significa transferencia por interrupcin. 3.3. Driver e instrumento Virtual en LabVIEW para el dispositivo USB Para que nuestro dispositivo USB pueda ser controlado desde LabVIEW es necesario que este lo reconozca como propio, con un driver USB desarrollado en LabVIEW. Para ello LabVIEW brinda una utilidad llamada VISA Driver Deve-lopment Wizard Hardware Bus, vase la Fig. 4. Esta da la posibilidad de desarro-llar un driver para dispositivos PCI, USB o FireWire.

Fig. 4. Utilidad para desarrollar Driver USB de LabVIEW En el siguiente paso del mismo asistente se encuentran los campos del VID y del PID. Estos campos se llenan en correspondencia con las lneas 184 y 185 del descriptor del anexo B, tal y como se muestra en la Fig. 5. Despus de especificar el PID y el VID el asistente crear un archivo de tipo INF en el directorio y nombre especifica-dos en el paso mostrado en la Fig. 6.

Fig. 5. Especificacin del VID y del PID del driver

Fig. 6. Finalizacin del asistente, nombre y lugar del driver .inf a crear. Con el cdigo del microcontrola-dor listo y el driver en LabVIEW dispo-nible, podemos iniciar la simulacin del microcontrolador USB y observar cmo este es detectado por el sistema operativo. 3.3.1. Simulacin del dispositivo con Proteus Al iniciar la simulacin del circui-to de la Fig. 2 el sistema operativo detecta la presencia de un dispositivo USB, ini-ciando el proceso de enumeracin que bsicamente consiste en asignarle una direccin en el bus al dispositivo. Des-pus de esto se abre el asistente para Hardware nuevo encontrado, tal y como se muestra en la Fig. 7. Con este asistente

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se localiza el driver INF creado en Lab-VIEW, instalndolo desde una lista o ubi-cacin especfica, Fig. 8.

Fig. 7. Asistente para localizar el driver del dispositivo

Fig. 8. Localizacin del driver INF Despus del paso anterior el asis-tente concluye de instalar el driver para el dispositivo, Fig. 9 y Fig. 10.

Fig. 9. Finalizacin del asistente

Fig. 10. Confirmacin de Windows Si ahora observamos el adminis-trador de Hardware de Windows XP po-dremos percatarnos de que se ha agregado una nueva categora, la categora de dis-positivos USB de National Instruments (NI-VISA USB). Y bajo esta ltima apa-recer nuestro dispositivo USB. Ello sig-nifica que a partir de ahora LabVIEW reconoce nuestro dispositivo como propio y estaremos en condiciones de controlarlo con un VI, empleando las VISAS de LabVIEW. La Fig. 11 muestra la categora de NI-VISA USB Devices en el adminis-trador de dispositivos de Windows XP.

Fig. 11. Presencia del dispositivo en el Administrador de Dispositivos de Windows

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3.3.2. Instrumento Virtual Antes de pasar al desarrollo de un instrumento virtual o VI para la comunicacin con nuestro dispositivo USB es conveniente obtener su resource name. Ello se puede hacer ejecutando la utilidad de LabVIEW llamada Visa Interactive Control, mostrada en la Fig. 12. De ella podremos determinar que el VISA resource name de nuestro dispositivo es la cadena: USB0::0x04D8::0x1121::NI-VISA-0::RAW, con ella podremos referenciar a nues-tro dispositivo desde un VI.

Ntese como en el resource name del dispositivo aparecen los cdigos PID y VID que habamos programado al microcon-trolador en su descriptor. En la Fig. 13 se observa el panel frontal del VI desarrollado. Al fondo de este el circuito desarrollado en Proteus interactuando con el VI. Los cam-bios realizados en el potencimetro RV1 eran registrados por el instrumento virtual cclicamente y al activar el botn LEDs del Puerto B del VI el circuito responda po-niendo en alto todos los pines del puerto B, se enviaba el cdigo hexadecimal 0xFF ha-cia el PIC o el cdigo 0x00 en caso de des-activar el botn de Activar LEDs del VI.

Fig. 13. Panel Frontal del VI desarrollado y simulacin en Proteus

Fig. 12. Visa Interactive Control para determinar el VISA Resource Name

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La ventana de cdigo del VI desarrollado se muestra en la Fig. 14. Se programaron dos ciclos indepen-dientes, uno para el envo y otro para la recepcin de las lec-turas AD del PIC. La llegada de un dato al puerto USB de la PC es detectada por el VI a travs de una interrupcin USB. El envo y la recepcin se realizan independientemente la una de la otra, full dplex.

Fig. 14. Diagrama de cdigo del VI desarrollado

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4. Implementacin Prctica Para el montaje prctico del PIC18F4550 se adapt el PICDEM 2 Plus, incluyndole un conector Header de 4 pines en su rea de prototipo. Los pines 2 y 3 del conector Header se unieron a travs de cables con los pines 23 y 24 del socket de 40 pines del PICDEM, respec-tivamente. Los pines 23 y 24 se corres-ponden con las seales diferenciales D- y D+ respectivamente. El pin 1 del conector Header se conect al comn del PICDEM 2 plus y el pin 5 al terminal de 5 V de la misma placa de demostracin, con el ob-jetivo de alimentarla directamente del bus USB. Los resultados obtenidos con el montaje prctico fueron los mismos que con la simulacin en Proteus 7.2. El VI diseado se comport de igual manera y s se not la diferencia de velocidad entre el montaje prctico y la simulacin, esta ltima ms lenta que la primera. Al co-nectar el dispositivo USB por primera vez a la PC Windows ya lo reconoca y pudo cargar el driver correspondiente que pre-viamente haba sido instalado en la fase de simulacin con Proteus. 5. Conclusiones Se logr realizar la simulacin y la implementacin prctica de la comunica-cin USB utilizando un microcontrolador PIC18F4550 y un VI diseado en Lab-VIEW. El desarrollo de los descriptores USB an debe profundizarse ya que estos constituyen una gran parte de la configu-racin del dispositivo USB.

7. Referencias 1. Inc., Microchip Technology. PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet. s.l. : Microchip, 2004. DS39632B.

2. USB Specification, version 2.0: Chapter 9. [Online] http://www.usb.org.

3. CCS. [Online] http://www.ccsinfo.com/.

4. [Online] http://www.labcenter.co.uk/.

5. Condit, Reston. TB054: An Introduction to USB Descriptors with a Game Port to USB Game Pad Translator Example. s.l. : Microchip Technology, 2004. DS91054C.

6. Dearborn, Scott. AN971: USB Port-Powered Li-Ion/Li-Polymer Battery Charging. s.l. : Microchip Technology Inc, 2005.

7. Condit, Reston. AN258: Low Cost USB Microcontroller Programmer. s.l. : Microchip Technology Inc., 2003. DS00258A.

8. Rojvanit, Rawin. AN956: Migrating Applications to USB from RS-232 UART with Minimal Impact on PC software. s.l. : Microchip Technology, 2004. DS00956B.

9. Microchip. [Online] http://www.microchip.com.

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Anexos Anexo A. Cdigo Fuente en lenguaje C del PIC18F4550 con USB

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Anexo B. Descriptor USB del dispositivo

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