Microcontrôleur PIC : architecture, fonctionnalités et applications

Considérez un microcontrôleur dans un système embarqué comme l'unité centrale de traitement gérant de multiples applications électroniques. Le marché des microcontrôleurs propose différentes offres. Cependant, les microcontrôleurs PIC sont réputés pour leur simplicité et leur facilité d'utilisation, leur fiabilité éprouvée et leur évolutivité. Ils ont simplifié la vie de nombreux produits, tels que les appareils électroménagers, les automobiles, les équipements industriels et les outils pédagogiques.

Les différents outils de développement disponibles avec les micropuces, ainsi que la documentation, la communauté et l'assistance continue, contribuent à renforcer la relation avec les microcontrôleurs PIC. Ces ressources permettent d'adapter les ressources à chaque niveau de programmeur, qu'il soit novice en programmation ou qu'il travaille sur des produits d'ingénierie de niveau avancé.

Cet article étudie les architectures de microcontrôleurs, leurs caractéristiques et leurs cas d'utilisation en situation réelle. Une attention particulière sera portée aux relations entre les différentes familles de microcontrôleurs PIC, aux processus de programmation de ces microcontrôleurs et à leurs applications dans de nombreux secteurs.

Qu'est-ce qu'un microcontrôleur PIC ?

Un microcontrôleur PIC est un type de microcontrôleur développé par Microchip Technology, qui portait auparavant le nom de contrôleur d'interface périphérique (PIC). Ils ont était utiliséd dans les systèmes embarqués en raison de leur faible coût, de leur faible consommation d'énergie, de leur grande polyvalence et de leur large gamme d'options disponibles.

Les microcontrôleurs PIC sont généralement utilisés dans l'électronique grand public, l'automatisation industrielle, les systèmes automobiles et les petits projets de bricolage. Dans tous ces domaines, les microcontrôleurs PIC, économiques et fiables, sont privilégiés en raison des avantages offerts par un vaste écosystème de support, des options de performances et de mémoire hiérarchisées, et de la simplicité de programmation offerte par l'architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer).

Architecture du microcontrôleur PIC

CPU Core

L'architecture RISC est prédominante dans tout cœur de processeur de microcontrôleur PIC. L'avantage de ces conceptions réside dans leur jeu d'instructions réduit, ce qui se traduit par une exécution plus rapide, une consommation énergétique réduite et une réduction de nombreux autres frais généraux. Les cycles d'instructions sont généralement compris entre un et quatre cycles d'horloge, selon la famille de composants.

Leurs performances varient selon la famille de microcontrôleurs. Les modèles de base offrent généralement des fonctionnalités plus simples, comme les tâches de contrôle, tandis que les modèles avancés de microcontrôleurs PIC 32 bits, comme le PIC32, sont dotés de capacités de traitement à grande vitesse pour les opérations complexes, généralement prises en charge par les systèmes d'exploitation temps réel (RTOS).

L'efficacité de l'architecture RISC garantit une exécution fiable et cohérente, offrant des performances fiables qui font des microcontrôleurs PIC la solution idéale pour les applications embarquées sensibles au temps. De plus, les cœurs avancés dotés d'architectures de pipeline améliorent également le traitement des instructions, ce qui optimise les capacités multitâches des systèmes temps réel.

Types de mémoire

Voici les trois types de ressources mémoire intégrées dans un microcontrôleur PIC :

• La mémoire flash est non volatile et préserve le programme en cours d'exécution tout en gardant l'appareil hors tension.

• La SRAM (RAM statique) est une forme volatile de mémoire vive utilisée pour conserver temporairement des données pendant leur traitement.

• L'EEPROM est un type de mémoire non volatile utilisée pour enregistrer les données qui devraient survivre aux redémarrages, comme les fichiers de configuration ou les fichiers journaux.

Différents modèles de microcontrôleurs prennent en charge différentes quantités de mémoire, ce qui offre aux développeurs la flexibilité de sélectionner des appareils qui répondent aux paramètres de leur application.

Par exemple, les microcontrôleurs PIC 8 bits de bas niveau sont équipés de plusieurs centaines d'octets de SRAM et de plusieurs kilo-octets de Flash, ce qui les rend parfaitement adaptés aux opérations simples comme la lecture de données de capteurs ou le clignotement de LED. De leur côté, les microcontrôleurs PIC 32 bits de haut niveau sont équipés de plusieurs mégaoctets de Flash et de plusieurs kilo-octets de SRAM, ce qui les rend adaptés aux tâches telles que le traitement multimédia ou l'exécution d'applications temps réel.

Périphériques et modules

Les composants des microcontrôleurs PIC ont des hybrides de périphériques intégrés comme :

• Calendrier et horloge pour mesurer le temps et compter les activités.

• Les interfaces des capteurs analogiques sont gérées par des ADC ou convertisseurs analogique-numérique.

• Commandes de moteur PWM ou à modulation de largeur d'impulsion et autres générateurs de signaux.

• Opérateurs et ports d'E/S numériques ou à usage général.

Tous ces modules ne nécessitent aucun composant externe. Les modèles avancés offrent un mappage de broches flexible, ce qui permet d'optimiser considérablement l'agencement et la complexité de la carte, car les concepteurs peuvent attribuer les fonctions d'E/S aux broches les plus appropriées.

Interfaces de communication

Pour favoriser la communication entre les appareils, les microcontrôleurs PIC prennent en charge plusieurs protocoles de communication :

• La communication des périphériques série s'effectue via UART ou récepteur/émetteur asynchrone universel.

• SPI ou interface périphérique série permet aux données être transférerrouge à grande vitesse et in duplex intégral mode.

• Moins de broches sont nécessaires avec I2C ou circuit inter-intégré dans une connexion multi-appareils.

• CAN ou Controller Area Network peut être utilisé dans les applications industrielles et automobiles.

• L'USB offre un moyen simple de connecter et de contrôler directement le PC.

Ces modules complémentaires s'intègrent facilement à des systèmes plus importants et permettent de connecter de nombreux appareils. À titre d'exemple, un thermostat intelligent peut utiliser un UART pour communiquer avec un écran et un I2C pour acquérir les données des capteurs. Il peut même utiliser le Wi-Fi pour s'interfacer, via SPI, avec le cloud, le tout grâce à un microcontrôleur PIC.

Système d'horloge et d'oscillateur

Qu'il soit interne ou externe, le système d'horloge des microcontrôleurs PIC utilise une gamme d'oscillateurs. Il en résulte une réduction des coûts et une plus grande commodité.s d'utiliser une horloge interne, tout en offrant une plus grande précision et la stabilité et l'augmentation de la fréquence sont un sous-produit de l'utilisation d'oscillateurs externes.

Ces deux aspects augmentent la vitesse de travail et la consommation d'énergie. Les variations dynamiques de fréquence et les modes d'économie d'énergie accrus permettent une utilisation plus judicieuse de l'énergie. De nombreux microcontrôleurs PIC sont dotés de ces fonctionnalités.

Dans les applications portables, telles que les compteurs portables ou les appareils portables, la commutation dynamique entre les horloges rapides et lentes permet une durée de vie de la batterie plus longue et optimise la consommation d'énergie.

Présentation des familles de microcontrôleurs PIC

Des familles spécialisées de microcontrôleurs ciblant des applications spécifiques ont été formées pour être utilisées dans les microcontrôleurs PIC :

Base et milieu de gamme (8 bits)

Ces familles sont idéales pour les applications simples. Elles offrent des E/S numériques de base, des temporisateurs et une faible empreinte mémoire, ce qui les rend idéales pour les projets à petit budget comme l'automatisation et le contrôle de LED. Les modèles de microcontrôleurs 8 broches de cette famille sont particulièrement adaptés aux environnements à espace restreint.

Cartes graphiques 8/16 bits améliorées

Les microcontrôleurs PIC 16F877 et PIC 18F font partie des contrôleurs 8 et 16 bits améliorés, offrant davantage de mémoire intégrée et d'options de sortie. Ils sont largement utilisés pour les systèmes de domotique et les appareils informatiques de base nécessitant un traitement et une mise en réseau de niveau intermédiaire en raison de leurs exigences de traitement modérées.

Série PIC32 (32 bits)

Les microcontrôleurs PIC32 sont idéaux pour les tâches plus avancées. Ils sont intégrés aux périphériques Ethernet, USB et au traitement audio grâce à leur prise en charge des interfaces haut débit et de la mémoire externe, leur compatibilité avec les systèmes d'exploitation temps réel et d'autres exigences système.

Les familles PIC32MX et PIC32MZ sont équipées de plusieurs canaux DMA, de bus multicouches et de grandes options de RAM, ce qui en fait des candidats appropriés pour des interfaces utilisateur graphiques plus sophistiquées, Linux ou des alternatives intégrées.

Comment développer avec des microcontrôleurs PIC ?

Le développement d'un microcontrôleur PIC implique une variété de procédures et d'outils à votre disposition :

• Sélection du PIC approprié : évaluez la mémoire, la vitesse, le périphérique et la consommation électrique de l'appareil.

• Outils de développement : le codage, la simulation et le débogage doivent tous être effectués dans MPLAB X IDE, combiné à XC qui traduit votre code en langage machine.

• Périphériques matériels de programmation PIC : vous pouvez programmer et déboguer en direct votre matériel sur un PICkit ou un ICD (débogueur en circuit).

• Principes essentiels du flux de travail :

1. Écrivez votre code dans MPLAB X IDE

2. Compilez le code via le compilateur XC

3. Le kit PIC/ICD vous permet de programmer la carte microcontrôleur PIC

4. Débogage en direct via des fenêtres de surveillance et des points d'arrêt

Conseils pour comment programmer un PIC microcontrôleur

Développeurs débutants

Assurez-vous de configurer correctement vos bits de configuration, en déterminant la source de l'oscillateur, le temporisateur de surveillance et les paramètres de démarrage, qui affectent tous la façon dont un microcontrôleur PIC est programmé.

• Saisissez les fichiers d’en-tête appropriés pour votre appareil, car ils contiennent des informations sur les registres et les macros.

• Utilisez les outils de simulation situés dans MPLAB X et utilisez-les pour tester votre code avant de l'exécuter sur le matériel.

Microchip propose une large gamme de bibliothèques d'exemples de code et de documentation au sein du configurateur de code MPLAB (MCC), un plugin pour l'IDE permettant la génération automatique de code d'initialisation. Cette automatisation allège la charge de travail des développeurs lors de la configuration des périphériques, ce qui accélère le développement global.

Applications des microcontrôleurs PIC

Les contrôleurs industriels avancés programmables (microcontrôleurs PIC) ont trouvé une utilité dans divers domaines, notamment :

· Electronique - Utilisé dans les télécommandes, les appareils domestiques intelligents et autres gadgets ménagers.

· Industriel Systèmes - Leur fiabilité et leur flexibilité les rendent populaires dans les dispositifs de surveillance, les systèmes de contrôle et l'automatisation des processus.

· Les applications automobiles - Implémenté pour le contrôle du moteur, des unités du tableau de bord et des communications avec différents types de capteurs.

· Enregistrement et mesure des données - Idéal pour l'interfaçage avec des capteurs environnementaux et pour la collecte de données et leur stockage dans l'EEPROM.

· Pour les projets éducatifs et de loisirs - Leur prix bas et leur bonne documentation les rendent populaires auprès des apprenants et des passionnés.

Outre les applications mentionnées ci-dessus, les microcontrôleurs PIC sont désormais intégrés aux équipements médicaux, à l'irrigation automatique pour l'agriculture et aux réseaux de capteurs sans fil. Leur personnalisation, leur protection renforcée contre les conditions difficiles et leur forte résistance aux interférences sont quelques-unes des nombreuses raisons de leur utilisation dans des environnements difficiles.

Conclusion

Dans les systèmes embarqués, les microcontrôleurs PIC constituent une technologie fondamentale. Leur conception, leur champ d'application et l'évolution constante de leurs périphériques suggèrent une polyvalence d'utilisation allant du clignotement de LED à la complexité des passerelles IoT.us, Les microcontrôleurs PIC servent également à élargir les perspectives des projets électroniques et à élargir le paysage des carrières, en invitant des personnes de tous les horizons de l'ingénierie, des débutants aux experts.

Face au développement fulgurant des technologies des systèmes embarqués, la fonctionnalité et la polyvalence des microcontrôleurs PIC s'avèrent, et promettent, de plus en plus cruciales. Pour s'adapter aux technologies futures axées sur les appareils intelligents, il est plus que jamais nécessaire de concevoir des solutions adaptées aux besoins actuels.