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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-

2

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/T1CKI15

RC1/T1OSI/CCP2/UOE16

RC2/CCP1/P1A17

VUSB18

RC4/D-/VM23

RC5/D+/VP24

RC6/TX/CK25

RC7/RX/DT/SDO26

RD0/SPP019

RD1/SPP120

RD2/SPP221

RD3/SPP322

RD4/SPP427

RD5/SPP5/P1B28

RD6/SPP6/P1C29

RD7/SPP7/P1D30

RE0/AN5/CK1SPP8

RE1/AN6/CK2SPP9

RE2/AN7/OESPP10

RE3/MCLR/VPP1

U1

PIC18F4550

VCC1

D+3

D-2

GND4

J1

USBCONN

RV1

1k

VDD

RA4

470R

10k

470R

4

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

7

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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