Programação de um PIC por USB sem programador

Introdução

Tipicamente os micro-controladores PIC são programados com recurso a programadores (PICkit, ICD,etc.). A possibilidade de programar os mesmos recorrendo a uma ligação directa pela porta USB não só é interessante em termos de custos, como em termos da liberdade que nos dá. No domínio educativo, se considerarmos dar a possibilidade a todos os alunos de programar um PIC, independentemente do local onde o fazem, esta ideia ganha ainda mais significado.

Nesta página encontra os passos necessários para poder programar um PIC sem ter de recorrer a um programador. Note-se que numa primeira fase este será ainda necessário.

A ideia base será a instalação de um bootloader USB do tipo Human Interface Device (HID). O circuito utilizado possui um botão que, quando premido, permite ao PIC arrancar o bootlader, ficando assim disponível para carregar uma nova aplicação (firmware). Caso o botão não seja pressionado durante o arranque, o PIC irá arrancar com o programa actualmente carregado em memória. Este programa tanto poderá ser um programa que utilize a porta USB como um qualquer outro programa.

O Circuito

Na Figura 1 encontra o circuito utilizado para o efeito. Note-se que o circuito permite tanto a pogramação/utilização da porta USB, como a programação utilizando a funcionalidade ICSP (com recurso a um programador).

Figura 1 - Circuito de programação do PIC

O conector ICSP permite a utilização de um programador, como por exemplo o ICD2 ou o PICkit2. O conector USB permite a interacção com o PIC através da placa USB. Note-se que deverá ter o cuidado de não alimentar simultaneamente o circuito pelo ICSP e USB, utilizando para isso a ligação J1.

Descrição dos componentes utilizados:

• J1 – quando ligado, permite alimentar o circuito através do ICSP;
• SW1 – quando pressionado, este botão leva a que o micro-controlador reinicie (RESET);
• SW2 – quando este botão é pressionado durante o arranque do micro-controlador, o PIC irá iniciar o bootloader;
• C1 – permite filtrar algum ruído na alimentação do circuito, quer através da porta USB (V_BUS), quer através do ICSP (V_DD);
• C2 – recomendado pela Microchip para estabilizar e filtrar ruído na tensão gerada internamente para o módulo USB;
• X1, C3 e C4 – módulo de relógio para uma frequência de 20MHz. O valor dos condensadores é fornecido pelo fabricante do cristal utilizado;
• R1 – resistência de pull-up, garante que o MCLR está no nível alto quando o botão SW1 não está pressionado;
• R2 – resistência de pull-up, garante que o RC0 está no nível alto quando o botão SW2 não está pressionado;
• R3 e D1 – circuito de indicação luminosa, usado pelo bootloader.;

NOTA: Este é uma versão inicial do circuito, a título de exemplo, havendo espaço para melhorias, nomeadamente o aumento de protecção e isolamento face ao circuito de aplicação. Ver por exemplo o PICkit 2 Programmer/Debugger User’s Guide, em particular o Capítulo 3.

Bootloader

O bootloader aqui utilizado é baseado no fornecido na Microchip Applications Libraries (MAL), nomeadamente no exemplo Microchip Solutions\USB Device - Bootloaders\HID - Bootloader\HID Bootloader - Firmware for PIC18 Non-J Devices da biblioteca USB versão 2.8. Nota, caso queira utilizar um dos bootloaders fornecidos previamente compilados, não necessita de descarregar a MAL.

O princípio de funcionamento consiste em testar uma determinada entrada no arranque. Caso esta esteja activa continua o arranque do bootloader, caso contrário arranca a aplicação do utilizador. Para tal, quer durante o desenvolvimento do bootloader, quer no desenvolvimento da aplicação a correr no espaço do utilizador, é crucial a definição das zonas de memória a utilizar. Tal é conseguido através da utilização de um ficheiro LNK específico e algumas instruções extra no programa.

Relativamente ao bootloader exemplo fornecido pela Microchip, a principal diferença é a remoção e simplificação de algum código relativamente aos LEDs utilizados, bem como alteração de alguns portos. De acordo com o circuito anterior, o porto utilizado para o botão de arranque do bootloader foi o RC0, e o porto utilizado para sinalizar o funcionamento do bootloader foi o RC1.

O bootlader foi desenvolvido e compilado no MPLAB com o MCC18 e configuração de optimização máxima. Caso pretenda compilar o bootloader e não utilize a opção de optimização máxima (só disponível na versão PRO, ou durante 60 dias) ocorrerá um erro a compilar, dado que o espaço disponível para o bootloader não será suficiente. A opção nesse caso será utilizar a optimização máxima ou aumentar o espaço reservado para o bootloader.

Ficheiros importantes (considerando o circuito da Figura 1):

• HID Bootloader PIC18 Non J.zip – Projecto MPLAB do bootloader;
• HID Bootloader PIC18F2550_20MHz.hex – bootloader compilado para o PIC18F2550 e cristal de 20MHz;
• HID Bootloader PIC18F4550_20MHz.hex – bootloader compilado para o PIC18F4550 e cristal de 20MHz (não testado);
• Bootloader LNK - ficheiros LNK para gerar o bootloader para diferentes PICs (apenas foi testado o ficheiro para o PIC18F2550).

Para carregar o bootloader deverá descarregar o ficheiro HEX, montar o circuito da Figura 1, ligar um programador ao conector ICSP e programar o mesmo. Poderá utilizar o MPLAB ou a aplicação específica do programador.

Para testar pressione o botão SW2 durante a inicialização do PIC (por exemplo, pressionando SW1). Neste caso o LED D1 deverá acender. Caso o circuito esteja ligado ao PC pela porta USB, este irá reconhecer o dispositivo (não necessita de driver) e irá exibir uma mensagem indicado a ligação de um dispositivo HID. Nesta altura o LED irá piscar, indicando que está pronto a receber a aplicação.

Aplicação do Utilizador

Para que a aplicação possa ser programada no PIC juntamente com o bootloader HID, é necessário incluir um ficheiro LNK específico, bem como algumas instruções no código principal. Desta forma garante-se que a aplicação é armazenada numa zona de memória após a zona reservada para o bootloader.

A título de exemplo consulte o projecto de teste fornecido. Este considera que, tal como no porto RC1, existem LEDs ligados aos portos RB0, RB1, RB2, RB3 e RB6, e utiliza o botão ligado ao porto RC0. Como poderá confirmar, aplicação em causa limita-se a activar alternativamente os portos RB0/RB2 e RB1/RB3, activando o porto RB6 sempre que o botão SW2 estiver pressionado.

Depois de compilada, a aplicação pode ser carregada para o PIC através da ligação USB. Para tal ligue o circuito ao PC e pressione o botão SW2 para arrancar o bootloader. O LED D1 deverá piscar indicando que o bootloader está a correr. De seguida deverá arrancar a aplicação HIDBootLoader.exe (também incluída na MAL), seleccionar a opção Open HEX File e, finalmente, a opção Program/Verify. Nesta altura poderá reiniciar o PIC, devendo este correr a aplicação agora programada.

Ficheiros importantes (considerando o circuito da Figura 1):

• App_test.zip – Projecto MPLAB da aplicação de teste;
• App_test.hex – aplicação de teste compilada;
• HIDBootLoader.exe – aplicação para enviar o programa do utilizador para o PIC utilizando o bootlodoader HID;
• App LNK - ficheiros LNK para gerar a aplicação para diferentes PICs (apenas foi testado o ficheiro para o PIC18F2550).

Referências

Foram utilizados os seguintes documentos para a implementação da solução aqui estudada. Caso queira aprofundar o seu conhecimento, aconselha-se a leitura dos mesmos:

• Getting Started: Using the “USB Device – Bootloaders” (considerando que a MAL foi instalada na pasta C:/Microchip Solutions) – este document e os restantes incluidos na instalação da MAL, em particular relativamente ao funcionamento USB, estão bastante completos e incluem muitos exemplos;
• PICkit 2 Programmer/Debugger User's Guide - informação importante na utilização do PICkit 2 e ICSP;
• USB Bootloader for PIC18F2550 Part 1 e USB Bootloader for PIC18F2550 Part 2 – exemplo que inclui alteração do espaço de memória reservado ao bootloader, e outras alterações, por forma a permitir gerar o mesmo com a versão gratuita do MCC18;
• USB Bootloader – ideia semelhante mas não utiliza o modo HID, pelo que requer um driver específico (também fornecido na MAL);
• USB Bit Whacker – placa e firmware que permitem utilizar o PIC interactivamente, activando e consultando o estado dos portos por USB. Inclui ainda ligações para vários outros projectos;
• PIC USB Framework – projecto semelhante ao ilustrado aqui, mas virado sobretudo para a utilização em Linux;
• USB PIC Bootloader – versão comercial idêntica à ilustrada aqui mas mais completa;
• BEEPIC – versão comercial desta ideia, idêntica ao conceito do ARDUINO (embora não recorrendo a bibliotecas específicas).

TODO

O próximo passo na actualização deste documento será incluir a comunicação série através do PIC. Para tal existem alguns exemplos na MAL sobre a programação do PIC como emulador da porta série.

FAQ

Tenho um PIC diferente e queria utilizar o bootloader. O que faço?

Primeiro deverá confirmar que o PIC em questão possui funcionalidade USB (poderá confirmar verificando a existência dos portos D+/D-). O primeiro passo é descarregar o ficheiro HID Bootloader PIC18 Non J.zip e abrir o projecto no MPLAB. De seguida deverá alterar o dispositivo em Configure à Select Device e verificar no ficheiro main.c se a configuração utilizada é adequada ao PIC a utilizar e ao cristal/relógio escolhido.

Caso queira alterar o porto onde está ligado o LED ou o botão SW2, deverá editar o ficheiro io_cfg.h.

Deverá compilar o projecto com a optimização máximo (compilador C18 PRO), caso contrário terá problemas de espaço para o bootloader. A alternativa será aumentar o espaço reservado para o bootloader.