PICマイコンのソフト支援ツール”MPLAB X IDE”のシミュレーションの紹介とプログラム検証

※MPLABは、マイクロチップ・テクノロジー（Microchip Technology）社の
ソフト支援開発ツールです。

この記事でわかること

温度センサーIC 出力のアナログデータをPICマイコンに取り入れるプログラムを作成しました。
このプログラムのデバックに”MPLAB X IDE”のシミュレーターを使いました。
“MPLAB X IDE”の中に”疑似的なPICマイコン”が入っているイメージだと思います。
シミュレーションでは、実機ハードは不要です。

本記事では、温度センサーのプログラムの検証結果と、本シミュレーションに使用したシミュレーション方法を紹介します。

• シミュレーションの設定方法
• ブレイクポインタを使い、プログラムの実行とデータの中身確認方法
• A/D変換モジュールの外部ピンにアナログ値を設定して、プログラムに取り入れる方法
  
• ADCモジュールからデータ取り込みの検証
• 10秒タイマーの検証

シミュレーションの基本機能の1部を紹介しています。

“MPLAB X IDE”は、バージョンは、V6.05です。

温度センサーICをPICマイコン内に取り入れるプログラムの詳細説明は、別に投稿予定。（製作中）

シミュレーションの設定、起動

実機ハードが無くても、”MPLAB X IDE”の環境下でシミュレーションを使い、プログラムのデバックが出来ます。
実機ハードは、部品決め・発注、ボード設計・作成、組み立て等の作業日程中に、プログラムを作成・シミュレーションして、プログラムの品質を上げることが出来、製品開発期間の効率化に寄与します。⇐これ電気製品開発には、重要なポイントです。

シミュレーションで検証したプログラムでも、
実機ハードでのデバックは、更に充分にする必要があります。

シミュレーションの設定

3：
[Project Properties-TMPRTR_get]ウインドーの[Connected Hardware Tool:]で”Simulator”を選択後
“Apply”を左側ボタンクリック

図－3：”MPLAB X IDE” 画面－3

4：
[Categories]のウインドーに”Simulator”が追加されます。
[Option categories]で”Oscillator Options”を選択します。
[Instruction Frequency (Fcyc) ] は、”4″設定。
PIC10/12/16/18シリーズ: 4 システムクロック/命令。
[Frequency In]は、”MHz”を設定。システムクロックと同じ周波数単位設定。
[RC Oscillator Frequency] は、”16″を設定。システムクロックの周波数設定。
[RC Oscillator Frequency In]は、”MHz”を設定。システムクロックの周波数単位設定。
“Apply”を左側ボタンクリック

注意：クロック入力は、正確に！。”Stopwatch”の時間に影響します。

図－4：”MPLAB X IDE” 画面－4

起動

1：
上側 [Debug Main Project]を左側ボタンクリック、デバックモードでコンパイル＆実行⇒
シミュレーションを自動実行します。

図－5：”MPLAB X IDE” 画面－5

2：
シミュレーション実行を上側 [Pause]を左側ボタンクリック、シミュレーションを停止。
（シミュレーション実行中は、下側、TMPRTR_get(Build,Load欄の青帯の幅が変化します。）

図－6：”MPLAB X IDE” 画面－6

シミュレーションで、プログラムデバック

ブレイクポイントの設定：
作成したプログラムが、意図した動作となっているか検証が出来ます。

例：

1. “main.c”メインプログラムの行番号 “78”赤枠 にブレイクポイントを設定するため、左側ボタンクリックすると”行番号”表示 ⇒ “赤四角”表示に変更

図－7：”MPLAB X IDE” 画面－7

2. [Continue]現在位置から実行：赤枠を左側ボタンクリックして実行します。

図－8：”MPLAB X IDE” 画面－8

3. 1項で設定したブレイクポイントまで実行します。”赤枠”＋”矢印”のところまでプログラムカウンターアップして停止した表示です。

図－9：”MPLAB X IDE” 画面－9

作成したプログラムの動作確認が出来ます。基本的な操作です。

A/D変換モジュール動作とデータ（D_reg,A_reg,T_reg格納）の確認方法

前提として：
1：
“AN0” 2Pinに、温度センサーIC（LM61）のアナログ電圧信号（Vout) を接続します。2Pinから
アナログ電圧を入力、PICマイコン（PIC16F1938）内のA/D変換モジュールでデジタルデータに
変換してマイコン内で、温度値に計算するプログラムです。10秒タイマーカウント毎に、温度観測
します。
下記に、回路図を示します。

図－10：回路図

2：
A/D変換モジュールを動作に含んだ、プログラム検証が出来ます。
A/D変換モジュールのアナログ入力ピン（2ピン：AN0）＝900ｍVを入力して、PICマイコン内の温度値が30℃になる事を、本シミュレーションで検証をします。
下記に、温度センサーICの電圧と温度の特性を示します。詳細は、ここを参照。

図－11：LM61の温度対出力電圧の特性（イメージ図）

3：
温度アナログ電圧（Analog-out voltage：Vout）のデータから、ｍain.C プログラム中の格納した
データの流れを、下記の図に示します。

図－12：データの流れ図

PIC Microcontroller：PICマイコン 型式：PIC16F1938
ADC module： A/D変換モジュール　PICマイコン 2Pin:AN0入力
Processor core：PICマイコンのコア部分
D_reg： A/D変換後のデジタル電圧値を格納（Hex)
A_reg：D_regの電圧値からアナログ電圧値を算出し、本アナログ値を格納
T_reg：A_regの値から温度値を算出し、本温度値を格納。（本投稿の目的となる温度測定値）

D_reg, A_reg, T_regは、main.c 内でデータ宣言をしています。

（2ピン：AN0）に 900ｍVを入力設定方法と900ｍV⇒30℃検証：

1：
[Window] メニューを左側ボタンクリック、[Simulator] ⇒ [Stimulus] を選択します。
ウインドー右側に、[Stimulus] ウインドーが追加されます。

図－13：”MPLAB X IDE” 画面－10

2：
[Stimulus]ウインドーを追加、[Pin/Register Actions]を選択、[Click here to add/remove signals]を左側ボタンダブルクリックします。
PICマイコンのアナログピントして（AN0：2Pin）選択 [Select Signal(s)]に追加します。
“OK”を左側ボタンクリックします。

図－14：”MPLAB X IDE” 画面－11

3：AN0ピンにアナログ値設定
[Stimulus]ウインドーを選択
Time 欄：”0″入力。
AN0 欄：”900ｍV”入力。温度センサーICのVout=900mVからの値（図－11参照）。0nsから900mV固定と設定
画面左上 “▶” [Apply synchronous stimulus] を左側ボタンクリック
画面下 “Synchronous stimulus applied successfully”の表示で
An0=900mVの設定となります。

図－15：”MPLAB X IDE” 画面－12

An0=900mVの設定をしてシミュレーション実行後のデータの格納（ D_reg, A_reg, T_reg ）値を確認します。

4：
観測するレジスタを指定します。

5：
ブレイクポイントを予め設定します。
“D_reg,A_reg,T_reg”の値を確認するため、”main.c”文の3つの値確定後、”82行”を
左側ボタンクリックしてブレイクポイント設定。下の図参照。

図－18：”MPLAB X IDE” 画面－15

6：
実行
①：[Debug main project] 左側ボタンクリック、初期化後プログラム実行します
ブレイクポイントで止まらない場合
②：[Pause] 左側ボタンクリック、実行を一度中断。“D_reg,A_reg,T_reg”値の信頼性低い

図－19：”MPLAB X IDE” 画面－16

③：ブレイクポイントで停止時は、図－7：”MPLAB X IDE” 画面－7”と同じ記号となります。

7：
観測レジスタ値の表示

図－20：”D_reg,A_reg,T_reg”シミュレーションの値

上図の右側は、main.c中の”D_reg,A_reg,T_reg”のプログラムです。
D_regには、”ADC_Get Conversion”関数の実行結果を入力しています。

ADCモジュール関数と計算プログラムの検証：

ADC変換公式（疑似ADCモジュール）で計算：D_reg
D_reg＝（入力電圧/Vref）×（10bitA/D－1）＝（900ｍV/2048ｍV）×（2¹⁰－1）
≒0x1C1（HEX)＝449（DEC)

DAC変換公式（演算プログラム）計算：A_reg29.8
A_reg＝（Vref × D) /（10bitA/D－1）=（2048mV × 449) /（2¹⁰－1）
≒898.9ｍV

温度センサLM61の温度変換公式計算：T_reg
T_reg=（A mV / 勾配℃/mV ）ー 切片℃＝（898.8 mV / 10℃/mV ）ー　60℃
≒29.9℃

検証結果：
”D_reg,A_reg,T_reg”につて、シミュレーションの値と計算値が同じで有ることが検証出来ました。
30℃（900ｍV)を入力して、PICマイコンでは、29.9℃の測定となります。

10秒タイマー検証

“Stopwatch”機能を使い、10秒タイマーをON/OFF制御するフラグ ”TMR2_10sec_flag” の “0” ⇒ “1” の時間を観測する事によりタイマーの時間が分ります。

1. ”Stopwatch”機能起動
   [Window]メニューから[Debugging]を選択、[Stopwatch]を左側ボタンクリックすると、
   Stopwatchウインドーが追加されます。

図－21：”MPLAB X IDE” 画面－17

検証結果：
温度測定間隔を10秒タイマーを制御するフラグ”TMR2_10sec_flag”は、10秒間隔で”0″/”1″する事を確認できました。