Zkušenosti s PICAXE 28X1

8. 4. 2016

 Jako svůj druhý soukromý hobby projekt s mikrokontroléry PICAXE (po vcelku úspěšném modulu pro automatické ovádání stopek ve vysílači DX6i)  jsem zahájil vývoj řídicí a kontrolní jednotky pro Vojtíškovo elektrické autíčko.

Prvotním impulsem bylo zjištění, že pro instalaci blinkrů, světel, couvaček a brzdovek nevystačím s přepínači, zabudovanými do autíčka od výrobce. Jako nejjednodušší se mi zdá použít mikrokontrolér s několika relé. Na to by stačil PICAXE 08M2. Rozhodl jsem se ale toho využít a doplnit autíčko o další funkce jako je sledování palubního napětí a proudu pohonných motorů (s inteligentním ukazatelem stupně vybití akumulátoru) ev. i s výhledem na zavedení proporcionálního řízení otáček motorů (plynu) někdy v budoucnu. Vznikne tak jakýsi palubní počítač pro elektroautíčko.

Takže jsem zvolil kontrolér PICAXE 28X1, který mám v domácí zásobě z jiného nerealizovného projektu.

Měl by vyhovět jak počty vstupů/výstupů, tak i kapacitami pamětí. (Pokud jste se dosud nesetkali s mikrokontroléry Picaxe, tak vězte, že to množné číslo v předchozí větě je úmyslné a má dobrý důvod. :))

PICAXE 28X1 ovšem má, jak se ukázalo,  některé zvláštnosti a hlavně poměrně nepříjemné  nedostatky v podpoře ve vývojovém prostředí Picaxe Editor.

Jak je to s těmi paměťmi

Picaxe 28X1 dává uživateli přístup k několika druhům paměti, které se liší způsobem adresování a přístupu (v podstatě pro každý druh paměti má vlastní adresový prostor, jiné příkazy a jiný princip přístupu), volatilitou (zda udrží obsah při odpojení napájení), možností modifikace obsahu (zápisu) a velikostí.

1. Paměť programu (interpretovaný program, table, readtable)
2. RAM (uživatelsky přístupná "hlavní" pracovní paměť). Má neomezený počet cyklů čtení/zápis, při odpojení napájení či resetu se obsah ztrácí.
• Pojmenované registry ("proměnné") b0-b27, w0-w13 (let, částečně: peek, poke)
• Zbytek RAM - nepojmenované  (peek, poke)
3. EEPROM (eeprom, write, read). Má omezený (i když vysoký - obvykle se udává 100000) počet cyklů čtení/zápis. Při vypnutí napájení zachová obsah.
4. Externí paměť EEPROM (readi2c, writei2c) 
5. ScratchPad (ptr, get, put)
6. SFR - System Function Registers (peeksfr, pokesfr)

Paměť programu

PICAXE 28X1 disponuje 4096B paměti programu. Jedná se o paměť typu EEPROM, naplněnou speciálním běhovým kódem, vzniklým ze zdrojového programu v Basicu při programování mikrokontroléru. Obsah této paměti je interpretován za běhu programu. Do této paměti program, běžící na PICAXE, nemůže zapisovat.

V části této paměti lze direktivou table připravit data pro naplnění oblasti o max velikosti 256B, pro následné čtení za běhu programu pomocí příkazu readtable.

RAM

Uživatelsky přístupnou RAM lze u 28X1 rozdělit na pojmenované registry, využitelné ve většině příkazů Basicu ve formě  proměnné a na zbývající část, přístupnou jen příkazy peek a poke.

 

Pojmenované registry

Nejpoužívanější část paměti RAM jsou pojmenované proměnné (registry) :

• 16 bitové w0-w12
• 8 bitové b0-b27
• 1 bitové bit0-bit31

Pojmenované proměnné různých typů se překrývají v paměti na stejných fyzických místech:

• w0 sdílí paměť s b0 a b1 (b1 je MSB) a bit0-bit15 (bit15 je MSb)
• w1  sdílí paměť s b2 a b3 (b3 je MSB) a bit16-bit31 (bit31 je MSb)
• w2  sdílí paměť s b4 a b5 (b5 je MSB)

          ...

• w12 sdílí paměť s b26 a b27 (b27 je MSB)

Pamětníkům to jistě vzdáleně připomene Common a Equivalence ve Fortranu :).

Příklad:    w0 = $1234
                            w0
    +-----------------------------------------------+
    |                     1234                      |
    +-----------------------------------------------+    

               b1                       b0
    +-----------------------+-----------------------+
    |          12           |           34          |
    +-----------------------+-----------------------+      

bit  15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
    | 0| 0| 0| 1| 0| 0| 1| 0| 0| 0| 1| 1| 0| 1| 0| 0|
    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

 

Nepojmenovaná RAM

Uživatelsky přístupná paměť má velikost  108B:

• 14B proměnné, 
• 94B = 2 x 47B volné úseky

Příkazy peek, poke umožňují jednotný přístup k celé RAM. Některé typy Picaxe umožňují navíc i nepřímý přístup přes adresu v proměnné bptr (28X1 to neumí, mladší bráška 28X2 již ano). Při vypnutí napájení se ztrácí obsah, po restartu je vynulován.

Jako všechny starší PICAXE (typy bez přípony v označení a řady M, X a X1) má i 28X1 paměť rozdělenu do několika souvislých úseků, obsluhovaných příkazy peek, poke

• Adresy 32 ($20) až 47 ($2F) překrývají obecně použitelné pojmenované registry (b0-b27) - pozor, nejsou zdaleka všechny!
  Přes peek/poke jsou přístupné proměnné, odpovídající sudým 16b registrům: w0, w2, w4, w6 , w8, w10, w12
  • b0<-32   (w0)
  • b1<-35
  • b4<-36   (w2)
  • b5<-37
  • b8<-38   (w4)
  • b9<-39
  • b12<-40 (w6)
  • b13<-41
  • b16<-42 (w8)
  • b17<-43
  • b20<-44 (w10)
  • b21<-45
  • b24<-46 (w12)
  • b25<-47
• Adresy $50 až $7E obecně využitelné nepojmenované registry – paměťová místa $70-$7F mohou sdílet fyzické umístění s $F0-$FF
• Adresy $C0 až $EF, využitelné u PICAXE-28X1, 40X1

EEPROM

Lze naplnit při programování čipu (direktivy eeprom, data), za běhu programu pak číst (příkaz read) a zapisovat (write). Pamatuje si obsah trvale i při vypnutí napájení.
 
PICAXE 28X1 nabízí 128B velkou oblast paměti EEPROM.

Externí EEPROM

Přídavná paměť ve formě samostatného integrovaného obvodu. Někdy i kombinovaná do jednoho pouzdra s jinými funkcemi (hodiny reálného času, teploměr).

Připojená a obsluhovaná přes I2C sběrnici (hi2csetup, hi2cin, hi2cout).

Zatím jsem externí EEPROM nepotřeboval použít.
 

Scratchpad

128 B velká paměť pro uživatelská data, přístupná přes proměnné ptr, @ptr, @ptrinc, @ptrdec, nebo příkazy get a put.

Může být využívána pro výměnu dat mezi kontroléry Picaxe:

• může být plněna na pozadí přes high-speed serial
• pokud mikrokontrolér funguje jako I2C slave může být zapisována a čtena jiným Picaxe pomocí I2C rozhraní

SFR

System Function Registers (peeksfr, pokesfr) - hodně chaoticky dokumentovaná paměť systémových proměnných s nepředvídatelnými důsledky zápisu. V PICAXE je přístupná  jen 1. stránka 0-$100. Podrobnosti lze nalézt v dokumebtaci k typu PIC, ze kterého daný PICAXE vznikl, tedy v případě PICAXE 28X1 je to PIC16F886.

Tímto způsobem může zkušený vývojář využít některé vlastnosti či části mikrokontroleru, se kterými nepracuje PICAXE FW, ev. použití modifikovat.  Potíž je v tom, že v dokumentaci k PICAXE nelze prakticky vůbec dohledat které části PIC a k jakému účelu FW používá. I vývojáři firmy Revolution Education, která PICAXE vyvíjí a dodává, se odmítají na podpůrném fóru v diskusích s uživateli k této problematice vyjadřovat.

Prográmek pro testování práce s pamětí

Program cvičně zapisuje do různých druhů pamětí v PICAXE. Scratchpad je zaplněn daty ze struktury Table (data uložená ve formě pole byte v paměti programu). Tím jsem si ověřoval použitelnost této konstrukce. Ostatní paměti pak dostanou jako obsah svoji adresu v rámci daného typu paměti.

;
; Test pameti (test PICAXE 28X1)
;
; Copyright (c) 2016 Zdenek Trojanek
;
; ---------------------------------------------------------------
;    Filename:       TestPicaxe28X1.bas  
;    Date:           12.3.2016  
;    File Version:   1.0  
;    Written by:     Zdenek Trojanek
;    Last Revision:  12.3.2016
;    Target PICAXE:  28X1  
; ---------------------------------------------------------------
;
;                                              28X1
; 
;                                          .----..----.
;                               (RESET) 1 -| RST  B.7 |- 28 (Output 7)
;                (ULPWU / ADC0 / In a0) 2 -| A.0  B.6 |- 27 (Output 6)
;                        (ADC1 / In a1) 3 -| A.1  B.5 |- 26 (Output 5)
;                        (ADC2 / In a2) 4 -| A.2  B.4 |- 25 (Output 4 / hpwm D)
;                        (ADC3 / In a3) 5 -| A.3  B.3 |- 24 (Output 3)
;                           (Serial In) 6 -| SI   B.2 |- 23 (Output 2 / hpwm B)
;                          (Serial Out) 7 -| SO   B.1 |- 22 (Output 1 / hpwm C)
;                                       8 -| 0V   B.0 |- 21 (Output 0)
;                          (Resonator)  9 -| XT    +V |- 20
;                          (Resonator) 10 -| XT    0V |- 19
;         (timer clk / Out c0 / In c0) 11 -| C.0  C.7 |- 18 (In 7 / Out c7 / hserin / kb data)
;             (pwm 1 / Out c1 / In c1) 12 -| C.1  C.6 |- 17 (In 6 / Out c6 / hserout / kb clk)
;     (hpwm A/ pwm 2 / Out c2 / In c2) 13 -| C.2  C.5 |- 16 (In 5 / Out c5 / spi sdo)
; (spi sck / i2c scl / Out c3 / In c3) 14 -| C.3  C.4 |- 15 (In 4 / Out c4 / i2c sda / spi sdi)
;                                          `----------'      
;                                            28-Pin
;
; Program overuje funkcnost internich pameti pro data mikrokontroleru PICAXE 28X1:
;
;  Table:              256B
;  ScratchPad memory:  128B
;  RAM:                256B (přístupné 108B - 14B proměnné, 96B = 2 x 47B volné úseky)
;  EEPROM:             256B
;

#Picaxe 28X1 

;
; Test Table
;
table (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32)
table (33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63)
table 65, ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890_")
table (128,129,130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,140,141,142,143,144)
table ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890_")
table (208,209,210,211,212,213,214,215,216,217,218,219,220,221,222,223,224)
table ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcd.")

start:

;
; Test ScratchPad pameti
;
for w0=0 to 127
  ;
  ; Test zapisem dat, nactenych z table
  ;
  readtable b0,b2
  put b0,b2
next

;
; Test RAM
;
; Do kazde bunky pameti se zapise jeji adresa
;
; POZOR: Nejde ladit pod Picxe editorem V6 (hlasi neplatnou adresu pri poke),
;        musi se pouzit v5,
;
; Prostor pracovnich registru. 
; Chova se to nejak divne, viz nasl. soupis:
;
; b0 <-32
; b1 <-35
; b4 <-36
; b5 <-37
; b8 <-38
; b9 <-39
; b12<-40
; b13<-41
; b16<-42
; b17<-43
; b20<-44
; b21<-45
; b24<-46
; b25<-47
;
for b0=32 to 47
  poke b0,b0
next

;
; 1. usek RAM (47byte)
;
for b0=80 to 127
  poke b0,b0
next

;
; 2. usek RAM (47byte)  
;
for b0=192 to 239
  poke b0,b0
next

;
; Test EEPROM
;
; Do kazde bunky pameti se zapise jeji adresa
;
for b0=0 to 255
  write b0,b0
next

end

Co nefunguje v PICAXE Program Editoru?

Picaxe Programming Editor je poměrně dobře navržené a realizované prostředí pro vývoj aplikací s PICAXE. Bohužel, pestrá nabídka mikrokontrolérů a jejich někdy značně odlišné chování, způsobují vývojářům problémy. Poměrně často tak uživatel narazí na problémy s překladem programů a jeho interpretací po nahrání na čipu (to je naštěstí méně časté), nebo na časté problémy se zpracováním programu v simulátoru, který je součástí PE.

Stává se, že překladač odmítne přeložit konstrukci, která je podle dokumentace správná. Pak nezbývá než problém nějak obejít, většinou to jde.

Více problémů bývá v simulátoru. Někdy se jedná o odmítání některé operace provést, nebo jsou prováděny odchylně od skutečného chování mikrokontroléru a tedy chybně. Vývojáři z Revolution Education se snaží problémy řešit, takže je dobré občas aktualizovat na novou verzi PE.

V souvislosti s PICAXE 28X1 jsem narazil na poměrně zásadní problém: simulátor odmítá povolit čtení a zápis z RAM pomocí příkazů peek a poke. Takže používání RAM pomocí těchto příkazů nejde v simulátoru ladit.

Naštěstí jsem našel způsob, jak věc obejít: použít starší verzi PE (v5) namísto aktuální v6. V PE 5.5.6 vše funguje dobře a lze ladit. Bohužel, PE5 a PE6 mají některé rozdíly v syntaxi Basic, takže je nutné program upravit, aby šel na PE5 zpracovávat. Je to škoda, protože jinak je PE6 pohodlnější a srozumitelnější.

Záporná čísla

Ačkoli se v dokumentaci uvádí, že PICAXE nepodporuje práci s čísly se znaménkem, není to tak úplně pravda. Podpora je ovšem jen minimální, přesně taková, aby umožnila vytvoření vlastních algoritmů pro zpracování záporných čísel. Zřejmě to souvisí s původním účelem PICAXE - výukou základů počítačů na základních a středních školách.

Podpora spočívá v tom, že Basic umožňuje zápis záporných konstant a změnu znaménka čísla v proměnné. Výsledek odečtení většího čísla od menšího je kódován v 2. doplňku (doplňkový kód). Sčítání a odečítání pracuje s takto kódovanými čísly správně, pokud nedojde k přetečení. To je vše.

Ostatní věci si musí zařídit programátor. Takže například porovnávání čísel se znaménky a jejich násobení a dělení je třeba ošetřit programově.

Připojování LCD

LCD se dají k Picaxe připojovat mnoha způsoby:

• Paralelní rozhraní s 8b daty
• Paralelní rozhraní s 4b daty
• Sériové rozhraní UART ("RS232")
• Sériové rozhraní I2C
• Sériové rozhraní SPI

Nejlákavější se zdá na první pohled sériové připojení: RS232 nebo I2C. Problém je, že LCD s rozhraním RS232 stojí cca 500Kč a špatně se shání.

Mnohem levnější a dostupnější jsou různé varianty displejů s rozhraním I2C. Bohužel, ty levné s obvodem 8574 jsou s PICAXE (hlavně pro začátečníka) svépomocí většinou prakticky nerozchoditelné. Nejen, že mají často všelijaké obskurní znakové sady, ale hlavně se použité obvody rozhraní musí inicializovat a  vědět jak jsou přiřazeny bity v rozhraní displeje k bitům v datech I2C.

Zatímco pro Arduino jsou k dispozici knihovny, které to umí zařídit, na PICAXE jsme odkázání na programování na úrovni základních funkcí použitých řadičů. Dokumentace k LCD s I2C rozhraním v podstatě neexistuje. Jediná šance je analyzovat knihovnu Arduina a pokusit se implementovat příslušné inicializační sekvence a mapování pinů.

Naštěstí je pro některé rozšířené typy těchto I2C LCD displejů možné sehnat na fóru Picaxe vzorové programy, které displej obsluhují.  Používání je  ale dosti složité a nelze využívat pohodlí funkce writei2c, protože data se displejům s obvyklým obvodem rozhraní 8574 musí posílat po částech (půlkách byte). Je to docela otravné a pomalé, zvláště ve srovnání s LCD s rozhraním UART.

Existují i displeje LCD a OLED, které fungují přes I2C přímo a bez problémů. Bohužel, podle popisu na e-shopech to většinou nejde odhadnout. Snad podle toho, že neobsahují IO 8574, využívají místo něho nějaký mikrokontrolér.

Daleko jednodušší (a v konečném důsledku levnější) se mi zdá použití jednoho z paralelních způsobů připojení. Obvykle je ale (vzhledem k počtu nutných výstupů) nutné použít variantu se 4bitovými daty, což rovněž komplikuje práci podobně jako připojení I2C. Připojování těchto typů LCD (zejména s řadiči kompatibilními s HD44780) je ale velmi dobře popsané v řadě publikací a článků na internetu.

Vcelku se nabízí možnost použití Picaxe (obvykle 20X2 - umí I2C slave režim) jako obvodu rozhraní. Pak lze poměrně jednoduše naprogramovat komunikaci jak přes I2C, tak i UART, ev SPI.