[TH] PIC18F458 Ep.4 GPIO

หลังจากที่ได้สร้างโครงงานและโค้ดโปรแกรมเบื้องต้นจากบทความการใช้ MPLAB X IDE ไปก่อนหน้านี้ บทความนี้เป็นการใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อใช้เป็นหน่วยนำออกสัญญาณหรือการ Output และนำเข้าสัญญาณหรือ Input ผ่านทางพอร์ตของ PIC18F458 ทั้งพอร์ต A, B, C และ D ผ่านทางวงจร LED และ Switch

GPIO

GPIO หรือ General Purpose Input/Output เป็นขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่สามารถสั่งงานให้ทำงานได้ทั้งเป็นส่วนนำเข้าสัญญาณ ส่วนนำออกสัญญาณ หรือหน้าที่พิเศษเฉพาะทาง เช่น ขาสำหรับ PWM, ขาสำหรับเป็นตัวนับ, ขาสำหรับเป็นขารอการขัดจังหวะ หรือขาสำหรับอ่าน/ส่งออกสัญญาณแอนาล็อก เป็นต้น

โดยจากผังการจัดวางขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC18F458 ในภาพที่ 2 จะพบว่า มีขาหลายขาที่เป็นทั้ง Input/Output และมีบางขาที่นำเข้าอย่างเดียว หรือนำออกเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้บางขานั้นมีการทำหน้าที่มากกว่า 1 อย่าง เช่น ขาลำดับที่ 40 เป็นขาแบบทั้ง Input/Output ทำหน้าที่เป็น RB7 หรือขานำเข้าหรือส่งออกของพอร์ต B ลำดับที่ 8 (บิต 7) และทำหน้าที่ PGD ได้ด้วย หรือขาที่ 37 ที่ทำหน้าที่เป็นทั้ง Input และ Output แต่ทำหน้าที่ได้เพียงเป็นบิตที่ลำดับที่ 5 (บิต 4) ของพอร์ต B เป็นต้น

ภาพที่ 2 การจัดวางขาของ PIC18F458
ที่มา : p.4 ของ PIC18F458 Datasheet

จากภาพที่ 3 จะเห็นว่าไมโครคอนโทรลเลอร์มีพอร์ต A, B, C, D และ E ที่เรียกชื่อว่า PORTA, PORTB, PORTC, PORTD และ PORTE โดยขาของพอร์ตเหล่านี้เป็น GPIO และชื่อเรียกของแต่ละขาเป็นดังนี้

RA0,RA1,RA2,RA3,RA4,RA5และ RA6 รวมเป็น 7 ขาหรือ 7 บิต เป็นขาของพอร์ต A
RB0, RB1, RB2, RB3, RB4, RB5, RB6 และ RB7 รวมเป็น 8 ขาหรือ 8 บิต เป็นขาของพอร์ต B
RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5, RC6 และ RC7 รวมเป็น 8 ขาหรือ 8 บิต เป็นขาของพอร์ต C
RD0, RD1, RD2, RD3, RD4, RD5, RD6 และ RD7 รวมเป็น 8 ขาหรือ 8 บิต เป็นขาของพอร์ต D
RE0, RE1 และ RE2 รวมเป็น 3 ขาหรือ 3 บิต เป็นขาของพอร์ต E

ภาพที่ 3 Block Diagram ของ PIC18F458
ที่มา: p.11, Figure 1-2: PIC18F448/458 Block Diagram

การควบคุมทิศทาง

พอร์ต A, B, C, D และ E สามารถกำหนดทิศทางของการทำงานเพื่อให้เป็นขาสำหรับนำเข้าสัญญาณหรือนำออกสัญญาณด้วยการกำหนดค่าในเรจิสเตอร์ต่อไปนี้

TRISA สำหรับกำหนดหน้าที่ของขาในพอร์ต A
TRISB สำหรับกำหนดหน้าที่ของขาในพอร์ต B
TRISC สำหรับกำหนดหน้าที่ของขาในพอร์ต C
TRISD สำหรับกำหนดหน้าที่ของขาในพอร์ต D
TRISE สำหรับกำหนดหน้าที่ของขาในพอร์ต E

กำหนดให้ขาใดเป็นขานำเข้าสัญญาณนำออกสัญญาณต้องให้ค่าประจำของขานั้นเป็น 0 และถ้าต้องการให้เป็นขานำเข้าสัญญาณให้กำหนดค่าของบิตหรือขานั้นเป็น 1

นำเข้า ให้กำหนดเป็น 1
ส่งออก ให้กำหนดเป็น 0

การเข้าถึง

การกำหนดค่า/อ่านค่าหรือการเข้าถึงขาในแต่ละพอร์ตสามารถกระทำได้ 2 แบบ คือ ระบุเป็นลำดับของขา ดังนี้

สำหรับพอร์ต A ได้แก่ RA0, RA1, RA2, RA3, RA4, RA5 และ RA6
สำหรับพอร์ต B ได้แก่ RB0, RB1, RB2, RB3, RB4, RB5, RB6 และ RB7
สำหรับพอร์ต C ได้แก่ RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5, RC6 และ RC7
สำหรับพอร์ต D ได้แก่ RD0, RD1, RD2, RD3, RD4, RD5, RD6 และ RD7
สำหรับพอร์ต E ได้แก่ RE0, RE1 และ RE2

หรืออ้างอิงถึงชื่อพอร์ตดังนี้

PORTA สำหรับแทนชื่อพอร์ต A
PORTB สำหรับแทนชื่อพอร์ต B
PORTC สำหรับแทนชื่อพอร์ต C
PORTD สำหรับแทนชื่อพอร์ต D
PORTE สำหรับแทนชื่อพอร์ต E

การนำส่งค่าให้ขาหรือพอร์ตมีรูปแบบดังนี้ โดยการนำออก 1 หมายถึงส่งแรงดันที่มีสถานะในระดับ 1 ในสัญญาณดิจิทัลไปยังขานั้น และ 0 หมายถึงให้ขานั้นมีสถานะเป็นกราวด์ (Ground หรือ GND) ส่วนกรณีที่เป็นการส่งข้อมูลไปที่พอร์ตขจะเป็นตัวเลขจำนวนเต็มแบบไม่มีเครื่องหมาย +/-

ชื่อขา = 1
ชื่อขา = 0
ชื่อพอร์ต = ค่าขนาด 8 บิต

และกรณีของการอ่านค่าจากขาหรือพอร์ตมีรูปแบบดังนี้

ขา = ชื่อขา
พอร์ต = ชื่อพอร์ต

วงจร I/O

วงจรสำหรับนำเข้าและส่งออกมีหลักการทำงานแตกต่างกัน คือ

การนำเข้าจะเป็นการอ่านค่าจากสถานะที่ปรากฎ ณ ขณะที่ขาที่อ่านค่านั้นเป็นอยู่
การนำออกสัญญาณนั้นต้องพิจารณาวงจรที่รับสัญญาณขาออกจากไมโครคอนโทรลเลอร์วาต้องการแรงดันและกระแสเท่าใด
- ถ้าไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถขับแรงดันและกระแสได้โดยตรงให้เชื่อมต่อขาของไมโครคอนโทรลเลอร์เข้ากับวงจรภาคนำออกได้ โดยเรียกการขับแรงดันและกระแสโดยตรงนี้ว่าการทำ Source Current หรือไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นแหล่งจ่ายไฟให้กับวงจรภายนอก
- ส่วนกรณีที่ไมโครคอนโทรลเลอร์มีกระแสไม่มากพอสำหรับขับวงจรภายนอก ให้ออกแบบวงจรภายนอกทำงานเมื่อขาของไมโครคอนโทรลเลอร์เป็น 0 หรือ GND เรียกการทำงานแบบนี้ว่า Sunk Current

ตัวอย่างวงจรภาคนำเข้าและส่งออกที่เลือกใช้เป็นวงจรที่อยู่บนบอร์ดประจำการทำแล็บ คือ Switch และ LED

วงจร LED

วงจรนำออกสัญญาณดิจิทัลของบอร์ดทดลองเป็นวงจรที่ทำงานแบบ Source Current คือขับกระแสมาจากขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ เนื่องจาก PIC18F458 สามารถขับกระแสได้มากพอสมควร และวงจรที่เป็นหลอด LED นั้นต้องการกระแสในการทำงานไม่มากจึงไม่ต้องออกแบบให้ทำงานแบบ Sink Current

จากภาพที่ 4 จะพบว่าฝั่งขาด้านหนึ่งของ LED ต่อเข้ากับตัวต่านทานที่ต่อตรงจากขาไมโครคอนโทรลเลอร์ และอรกด้านต่อเข้ากับ GND ของระบบ ดังนั้น เมื่อส่งสัญญาณดิจิทัล 1 จึงทำให้วงจรครบการทำงานส่งผลให้หลอดแอลอีดีสว่าง ในทางตรงกันข้ามเมื่อส่ง 0 ทำให้ไม่มีแรงดันไหลผ่านหลอดแอลอีดีจึงทำให้หลอดแอลอีดีไม่สว่าง

วงจร Switch

สวิตช์เป็นอุปกรณ์นำเข้าสัญญาณประเภทหนึ่งที่ใช้กับระบบคอมพิวเตอร์ โดยบนบอร์ดทดลองมีสวิตช์จำนวน 5 ตัว ซึ่งเป็นสวิตช์แบบดิป (Dip Switch) จำนวน 1 ตัว (ตัวถังสีฟ้า และคันโยกเป็นสีขาว) กับสวิตช์แบบปุ่ม (Push Button) แบบกดติดปล่อยดับจำนวน 4 ตัว

จากภาพที่ 5 จะพบว่า S2 หรือ SW DIP-8 ที่เป็นสวิตช์ของตัวดิปสวิตช์นั้นต่อเข้ากับขา SW1,SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7 และ SW8 ส่วนสวิตช์แบบกดติดปล่อยดับ S3, S4, S5 และ S6 ต่อเข้ากับ SW5, SW6, SW7 และ SW8

เมื่อพิจารณาวงจรจะพบว่า มีการต่อไฟเข้ากับขาด้านหนึ่งของสวิตช์และเป็นด้านเดียวกันกับที่ต่อเข้ากับขานำเข้าสัญญาณของไมโครคอนโทรลเลอร์ ส่วนอีกด้านของสวิตช์ต่อเข้ากับ GND ของระบบ ดังนั้น

ถ้า SW DIP-8, หรือ S3, S4, S5, S6 มีสถานะเป็นปิดวงจร (หรือกดสวิตช์) จะทำให้แรงดันไหลผ่านจากแหล่งจ่ายไฟไปลง GND อย่างรวดเร็วทำให้ไม่มีแรงดันไปโผล่ที่ขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ ส่งผลให้ได้รับค่าแรงดันเป็นสัญญาณดิจิทัล 0
ถ้าสถานะของสวิตช์เป็นแบบเปิดหรือไม่ถูกกดจะมีแรงดันอยู่ที่ขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ทำให้อ่านค่าแรงดันที่ขาได้เป็นสัญญาณดิจิทัล 1

ตัวอย่างโปรแกรม

จากหลักการควบคุมทิศทางการทำงานของพอร์ต การเข้าถึงพอร์ต และตัวอย่างวงจร LED และ Switch เมื่อนำมาประยุกต์เขียนโปรแกรมเพื่อเป็นแนวทางได้ดังนี้

กระพริบหลอด LED จาก RA0, RB0, RC0, RD0

ตัวอย่างแรกเป็นการต่อขา RA0, RB0, RC0 และ RD0 เข้ากับวงจรหลอด LED ที่หลอด 0, 1, 2 และ 3 โดยต้องกำหนดให้พอร์ต A, B, C และ D ทั้งหมดเป็น OUTPUT ด้วยคำสั่งต่อไปนี้

การส่งแรงดันไปที่ขาใช้คำสั่งต่อไปนี้

การเปลี่ยนสถานะของขาให้เป็น GND เพื่อให้หลอดดับสังงานดังนี้

และการหน่วงเวลาจะต้องกำหนดความเร็วของ XTal เป็น 20MHz พร้อมทั้งกำหนด OSC เป็น HS ส่วนคำสั่งหน่วงเวลาคือ __delay_ms( จำนวนมิลลิวินาที )

// CONFIG1H
#pragma config OSC = HS 
#pragma config OSCS = ON
#pragma config PWRT = OFF 
#pragma config BOR = ON  
#pragma config BORV = 25 
#pragma config WDT = OFF  
#pragma config WDTPS = 128 
#pragma config STVR = ON 
#pragma config LVP = ON 
#pragma config CP0 = OFF 
#pragma config CP1 = OFF
#pragma config CP2 = OFF
#pragma config CP3 = OFF
#pragma config CPB = OFF
#pragma config CPD = OFF 
#pragma config WRT0 = OFF  
#pragma config WRT1 = OFF
#pragma config WRT2 = OFF  
#pragma config WRT3 = OFF   
#pragma config WRTC = OFF
#pragma config WRTB = OFF 
#pragma config WRTD = OFF   
#pragma config EBTR0 = OFF 
#pragma config EBTR1 = OFF 
#pragma config EBTR2 = OFF
#pragma config EBTR3 = OFF 
#pragma config EBTRB = OFF   

#include <xc.h>

#define _XTAL_FREQ 20000000 // กำหนดค่าความถี่ของ XTal

void main(void) {
    // กำหนดให้ทุกขาของพอร์ต A, B, C และ D เป็น Output
    TRISA = 0x00;
    TRISB = 0x00;
    TRISC = 0x00;
    TRISD = 0x00;
    // วนรอบเรื่อย ๆ
    while (1) {
        RA0 = 1;  // LED ON
        RB0 = 1;  // LED ON
        RC0 = 1;  // LED ON
        RD0 = 1;  // LED ON
        __delay_ms(500); // 1 Second Delay
        RA0 = 0;  // LED OFF
        RB0 = 0;  // LED OFF
        RC0 = 0;  // LED OFF
        RD0 = 0;  // LED OFF
        __delay_ms(500); // 1 Second Delay
    }
    return;
}

ตัวอย่างการทำงานเป็นดังคลิป 1

ไฟวิ่งด้วย PORTC

ตัวอย่างนี้ใช้พอร์ต C ทั้งหมดเป็นขา OUTPUT และเริ่มต้นให้มีค่าเป็น 00000001₂ หรือ 0x01 หลังจากนั้นทำการเลื่อนบิตไปทางซ้าย หลังจากเลื่อนไปจนเป็นตำแหน่ง 10000000₂ หรือ 0x80 ให้กลับค่ามาเป็น 0x01 ใหม่่อีกครั้ง และทำซ้ำต่อไปเรื่อย ๆ

// CONFIG1H
#pragma config OSC = HS 
#pragma config OSCS = ON
#pragma config PWRT = OFF 
#pragma config BOR = ON  
#pragma config BORV = 25 
#pragma config WDT = OFF  
#pragma config WDTPS = 128 
#pragma config STVR = ON 
#pragma config LVP = ON 
#pragma config CP0 = OFF 
#pragma config CP1 = OFF
#pragma config CP2 = OFF
#pragma config CP3 = OFF
#pragma config CPB = OFF
#pragma config CPD = OFF 
#pragma config WRT0 = OFF  
#pragma config WRT1 = OFF
#pragma config WRT2 = OFF  
#pragma config WRT3 = OFF   
#pragma config WRTC = OFF
#pragma config WRTB = OFF 
#pragma config WRTD = OFF   
#pragma config EBTR0 = OFF 
#pragma config EBTR1 = OFF 
#pragma config EBTR2 = OFF
#pragma config EBTR3 = OFF 
#pragma config EBTRB = OFF   

#include <xc.h>

#define _XTAL_FREQ 20000000 // กำหนดค่าความถี่ของ XTal

void main(void) {
    unsigned char patt = 0x01;
    TRISC = 0x00;
    while (1) {
        PORTC = patt;
        __delay_ms(100);
        patt <<= 1;
        if (patt == 0) {
            patt = 0x01;
        }
    }
    return;
}

ตัวอย่างการทำงานเป็นดังคลิป 2

กดติดปล่อยดับ

ตัวอย่างนี้เป็นการใช้พอร์ต C จำนวน 4 บิตสำหรับเป็นขา OUTPUT และอีก 4 บิตสำหรับ INPUT ดังนั้น

RC0 ต่อกับ SW5
RC1 ต่อกับ SW3
RC2 ต่อกับ SW7
RC3 ต่อกับ SW8
RC4 ต่อกับ LED0
RC5 ต่อกับ LED1
RC6 ต่อกับ LED2
RC7 ต่อกับ LED3

ทำให้ต้องกำหนดค่าของ TRISC เป็น 0x0F หรือ 00001111₂ โดยความสัมพันธ์ของการทำงานเป็นดังนี้

นำค่าจาก RC0 ไปลบ 1 แล้วนำผลลัพธ์ ส่งไปที่ RC4
นำค่าจาก RC1 ไปลบ 1 แล้วนำผลลัพธ์ ส่งไปที่ RC5
นำค่าจาก RC2 ไปลบ 1 แล้วนำผลลัพธ์ ส่งไปที่ RC6
นำค่าจาก RC3 ไปลบ 1 แล้วนำผลลัพธ์ ส่งไปที่ RC7

// CONFIG1H
#pragma config OSC = HS 
#pragma config OSCS = ON
#pragma config PWRT = OFF 
#pragma config BOR = ON  
#pragma config BORV = 25 
#pragma config WDT = OFF  
#pragma config WDTPS = 128 
#pragma config STVR = ON 
#pragma config LVP = ON 
#pragma config CP0 = OFF 
#pragma config CP1 = OFF
#pragma config CP2 = OFF
#pragma config CP3 = OFF
#pragma config CPB = OFF
#pragma config CPD = OFF 
#pragma config WRT0 = OFF  
#pragma config WRT1 = OFF
#pragma config WRT2 = OFF  
#pragma config WRT3 = OFF   
#pragma config WRTC = OFF
#pragma config WRTB = OFF 
#pragma config WRTD = OFF   
#pragma config EBTR0 = OFF 
#pragma config EBTR1 = OFF 
#pragma config EBTR2 = OFF
#pragma config EBTR3 = OFF 
#pragma config EBTRB = OFF   

#include <xc.h>

#define _XTAL_FREQ 20000000 // กำหนดค่าความถี่ของ XTal

void main(void) {
    TRISC = 0x0F;
    while (1) {
        RC4 = 1-RC0;
        RC5 = 1-RC1;
        RC6 = 1-RC2;
        RC7 = 1-RC3;
        __delay_ms(100);
    }
    return;
}

ตัวอย่างการทำงานเป็นดังคลิป 3

สรุป

จากบทความนี้ผู้อ่านได้เรียนรู้ขั้นตอนของการกำหนดทิศทางการทำงานของพอร์ต การเข้าถึงพอร์ต การเข้าถึงขาของพอร์ต และประยุกต์หลักการเข้ากับวงจรของภาค LED และ Switch บนบอร์ดทดลองประจำวิชาอันเป้นพื้นฐานสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้ต่อไป เช่น เปลี่ยนจากวงจร LED เป็นวงจรรีเลย์สำหรับเปิดปิดไฟ หรือโซลินอยด์ เพื่อเปิดปิดน้ำ เป็นต้น สุดท้าย ขอให้สนุกกับการเขียนโปรแกรมครับ

(C) 2022, โดย อ.อนุชาติ บุญมาก, อ.ดนัย เจษฎาฐิติกุล/อ.จารุต บุศราทิจ
ปรับปรุงเมื่อ 2022-02-11, 2022-02-18, 2022-03-14