ＰＩＣ入出力ポートの誤動作実験


注意事項！！

　本実験は、PICの入出力ポートに過大な負担がかかります。
　場合によっては入出力ポートが壊れることがあります。
　実験を試みる方は、個人の責任で行ってください。
　実験により、いかなる損害が発生しても、当方ならびに実験に関わった
　情報提供者は一切の責任を負いません。あらかじめご承知ください。

たわごとのページ＃７０にて、ＰＩＣ入出力ポートの誤動作防止についてのご意見を高山さんから頂いてから、この件に関する内容に興味を持ち始めました。ＰＩＣ入出力ポートの誤動作とは、Microchip社のデータシート（たとえば、PIC16F8XではP.25 I/O プログラミングの注意点）や、ＰＩＣ活用ガイドブックのP.75，76と、P131に入出力ポートの誤動作に関する件がありますので、それを見ると原理的なことは理解できると思います。実際に入出力ポートの誤動作対策が必要になるような負荷容量の高い環境でPICを使った経験が無いので、今回、容量負荷をつないで誤動作を起こした実験をしてみようかと考えています。

ハード側の接続
図１にPIC入出力ポートの誤動作の実験回路を示します。PICは16F877を使用し、PORTBの端子のレベル状態が分かるようにLEDを接続します。ただし、ポートに直接LEDを接続してしまうと端子に負荷がかかるので、バッファを介して接続するようにします。誤作動の観測対象ピンとしてPORTBの端子に容量負荷を接続します。（図１は、RB3に容量負荷を接続した例です）。MCLR端子はリセット用に回路を設けておきますが、なくても構いません。ＰＩＣのクロック周波数は、２０ＭＨｚです。

図１．ＰＩＣ入出力ポートの誤動作の実験回路

実験手順
図１のＰＩＣ入出力ポートの誤動作の実験回路にて、「Ｃ」のところ（RB3端子とGND間）にコンデンサを接続していきますが、作業がカット＆トライになるので、図２のようにブレッドボードを用いた方が楽です。コンデンサは容量値の正確さと安定性を考慮してマイカ・コンデンサを選定しました。なければ安価なセラミックコンデンサでも構いません。容量値は、数ｐＦ〜数100ｐＦ程度の範囲で何種類か用意し、容量が足りなければ並列に接続するようにします。プログラムは誤動作の再現性を確認できるように一連の動作が繰り返されいるので、コンデンサの容量値を変えながら随時確認することができます。

図２．入出力ポートに接続するコンデンサ

誤動作確認のプログラム（１-１）
　　　　信号レベル Ｈ→ Ｌの動作チェック

図３にＰＩＣ入出力ポートの誤動作確認プログラム（1-1）として、信号レベルＨ→Ｌの動作チェックを確認するプログラムのフローチャートを示します。
プログラムの解説については、「プログラムの説明」の項をご参照ください。

図３．ＰＩＣ入出力ポートの誤動作確認 プログラム(1-1)のフローチャート （信号レベルは、 Ｈ→Ｌ 動作）

（注）以下に示すプログラムには、ホームページ画面作成の都合上、空白として全角文字のスペースなどが挿入されています。したがって、下記プログラムリストをそのままコピーしてＭＰＬＡＢのソースファイルとされた場合には、エラーとなることがあります。

→ここをクリックして、下記のプログラムをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_11.asm」　サイズ３．０６ｋバイト

→ここをクリックして、下記のオブジェクトファイルをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_11.hex」　サイズ３００バイト

【プログラムの説明（１-1）】
このプログラムについて、順を追って解説を加えておきましょう。

（１）プロセッサの種別指定
定義の仕方は「PROCESSOR」か「LIST」命令を使って設定します。ここで指定するプロセッサ名称は、パッケージの種類を示すサフィックス（最後の英記号の部分）は不要です。

　　　PROCESSOR　　PIC16F877
　　　　または
　　　LIST　　P=PIC16F877

（２）標準ヘッダーファイルのインクルード
標準ヘッダーファイルとは、各プロセッサが持っているＳＦＲ（Special Function Register）をラベル（記号）で使えるため、ラベルとハードウェアの場所とを定義しているファイルです。標準ヘッダーファイルは　「プロセッサ名．INC」というファイル名で統一されて、MPLABのディレクトリに格納されています。従って、これのインクルード方法は下記のようにして行います。
一度、参考までに標準ヘッダーファイルの内容をエディタ等で見ておくことをお勧めします。

　　　INCLUDE 　　　P16F877.INC
　　　　または
　　　#INCLUDE　　　P16F877.INC

（３）変数定義とレジスタ割付
レジスタファイルアドレスを指定するときに、アドレス数値を直接指定することもできますが、数値だけでは間違いも多く、プログラム自身も分かりにくくなってしまいます。そこで、ＥＱＵ命令などを使ってラベルを設定し変数を定義します。レジスタファイルアドレスは、７ビットあるので、００〜７Ｆまで最大１２８個のレジスタが指定できますが、実際に物理的に実装されて汎用的に使用できるレジスタ数はデバイスによって異なっていますので注意が必要です。
ＰＩＣ１６Ｆ８７７の汎用レジスタのアドレスは、２０Ｈ〜７ＦＨ
となっていますので、２０Ｈ以降のアドレスに割り付けます。

（４）プログラムの開始番地の指定
「ORG」はプログラムの開始番地を指定する擬似命令で、ORG以下の実際のプログラム命令が格納されるプログラムメモリ内の位置（アドレス）を指定します。

　　　ORG　　0　　;0番地から格納することを示します。

コンピュータは一般に電源投入時やリセットをすると必ず0番地からスタートするようになっているので、0番地には必ず命令があることが必要です。

（５）Bank 1 へ切替
PICには各種の動作モードを設定するための Special Register と呼ばれるものが用意されています。PICを動作させるためには、まずこのSpecial Registerの設定から始めます。そしてそれらは全て、Register File と呼ぶメモリとして用意されています。その Register Fileは Bank0, Bank1, Bank2, Bank3 とよばれるアドレス空間をもっているため、多少アクセスの仕方が面倒です。つまりRESET後の通常はBank0となっているので、Bank1側のレジスタにアクセスするときはBankの切替えをしてからとなります。またBank0とBank1に同じ物があるときにはどちらでも同じ様に使えます。
Bank1へ切り替える方法ですが、「STATUS」レジスタにある２ビットのRP0、RP1を変えてBankを指定します。デフォルトは、Bank0です。表１にＢａｎｋとＲＰ１，ＲＰ０ビットとの関係を示します。Bank1へ切り替えるためには、ＲＰ０ビットを「１」にします。（ＲＰ１はデフォルトで「０」なので変える必要はない。）

　BSF　　　　STATUS,RP0
「ＳＴＡＴＵＳ」レジスタのＲＰ０ビットを「１」にする。

（６）PORTB 全ポートを出力に設定
ＴＲＩＳＢレジスタを、ＣＬＲＦ（ｆレジスタをゼロクリアする命令）で出力設定とします。

　CLRF　　　TRISB
「ＴＲＩＳBレジスタをゼロクリアする。すなわち、ＰＯＲＴＢ全ポートを出力に設定する」

（７）Bank 0 へ戻す
Ｂａｎｋ１での設定が終了した後は、Ｂａｎｋ０に戻しておきます。Bank1へ切り替えるためには、ＲＰ０ビットを「０」にします。（ＲＰ１はデフォルトで「０」なので変える必要はない。）

BCF　　　　STATUS,RP0
「ＳＴＡＴＵＳ」レジスタのＲＰ０ビットを「０」にする。すなわち、Ｂａｎｋ０に戻す。」


（８）全ピンＨレベルに設定
　　　ポートＢへ出力
はじめに全ビットをＭＯＶＷＦの転送命令で「Ｈigh」に出力しておきます。

（９）1秒間のウェイト
ＬＥＤの点滅の様子が、人間の目で分かるように１秒間のウエイトを入れました。
TIME1Sというラベルの付いたサブルーチンへジャンプします。
このとき、ＬＥＤは全部点灯しています。

（１０）RB7〜0ピンを順次Ｌレベルに設定

BCF命令により、RB7からRB0までの端子を順次Ｌレベルに設定していきます。

（１１）１秒×３＝３秒のウエイト
BCF命令の実行後に、ポートＢの全ビットがＬレベルになっていること（LEDが消灯していること）を確認するため、３秒間のウエイトを挿入します。もし、ここで入出力ポートの誤動作が発生した場合には、LEDが点灯したままになります。

（１２）繰り返し（MAINラベルへ戻る）
これまでの動作を繰り返して、誤動作の再現性を確認します。


実験結果（1-1）
　　　　信号レベル Ｈ→ Ｌの動作チェック

図４に正常動作時と異常動作時の様子を写真撮影しました。ＬＥＤは端子のレベルがＨレベルの時に発光するようになっています。図４の上段は、プログラム（９）の段階で、まずは全端子をＨレベルにします。下段は、プログラム（１１）の段階です。正常動作の場合（左）は、全端子はＢＣＦ命令によりＬレベルになっていることが分かります。ところが、RB3端子に容量負荷があると、右下の写真のように容量負荷のある端子のLEDが点灯したままになってしまいました。すなわち、本来プログラム上ではＬレベルに設定されるはずが、容量負荷の影響で誤動作を引き起こすことが確認されました。

↓正常な場合	↓誤動作した場合
（左）正常動作時： 全端子Ｌレベル	（右）異常動作時： ＲＢ３端子がＨレベル
図４．ＰＩＣ入出力ポートの様子 （信号レベル Ｈ→ Ｌの動作チェック）

誤動作を引き起こしたときの条件ですが、Ｃ＝３７０〜３８０ｐＦ以上のコンデンサで発生しました。なお、電解コンデンサのようなμＦ単位の容量の大きなコンデンサは、端子のレベル変化時に過大な電流が流れるため、ＰＩＣのポートを痛める可能性があります。そのため確認実験は０．１μＦの積層セラミックコンデンサまでとしました。

（注）ポートＢはPIC内部に50kΩ程度のプルアップ抵抗（Weak pull-up）が内蔵されていますが、初期設定ではプルアップしないになっています。OPTION_REGレジスタの７ビットを「０」にすることでプルアップ使用に設定できます。



誤動作確認のプログラム（1-2）
　　　　信号レベル Ｌ→ Ｈの動作チェック

図５にＰＩＣ入出力ポートの誤動作確認プログラム（1-2）として、信号レベルＬ→Ｈの動作チェックを確認するプログラムのフローチャートを示します。

図５．ＰＩＣ入出力ポートの誤動作確認 プログラム（1-2）のフローチャート （信号レベルは、 Ｌ→Ｈ 動作）

（注）以下に示すプログラムには、ホームページ画面作成の都合上、空白として全角文字のスペースなどが挿入されています。したがって、下記プログラムリストをそのままコピーしてＭＰＬＡＢのソースファイルとされた場合には、エラーとなることがあります。

→ここをクリックして、下記のプログラムをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_12.asm」　サイズ３．０７ｋバイト

→ここをクリックして、下記のオブジェクトファイルをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_12.hex」　サイズ３００バイト

【プログラムの説明（1-2）】
プログラムの説明（1-1）と重複するところは省略します。プログラム（1-1）との変更点は次のところです。

（８）全ピンＬレベルに設定
　　　ポートＢへ出力
はじめに全ビットをＭＯＶＷＦの転送命令で「Low」に出力しておきます。

（１０）RB7〜0ピンを順次Ｈレベルに設定

BＳF命令により、RB7からRB0までの端子を順次Ｈレベルに設定していきます。

実験結果（1-2）
　　　　信号レベル Ｌ→ Ｈの動作チェック

図６に正常動作時と異常動作時の様子を写真撮影しました。ＬＥＤは端子のレベルがＨレベルの時に発光するようになっています。図６の上段は、プログラム（９）の段階で、まずは全端子をＬレベルにします。下段は、プログラム（１１）の段階です。正常動作の場合（左）は、全端子はＢＳＦ命令によりＨレベルになっていることが分かります。ところが、RB3端子に容量負荷があると、右下の写真のように容量負荷のある端子のLEDは点灯しませんでした。すなわち、本来プログラム上ではＨレベルに設定されるはずが、容量負荷の影響で誤動作を引き起こすことが確認されました。誤動作を引き起こしたときの条件ですが、信号レベル Ｌ→ Ｈの動作の場合、Ｃ＝７５０ｐＦ以上のコンデンサで発生しました。先ほどの信号レベル Ｈ→ Ｌの動作の場合では、Ｃ＝３７０〜３８０ｐＦ以上でした。

↓正常な場合	↓誤動作した場合
（左）正常動作時： 全端子Ｈレベル	（右）異常動作時： ＲＢ３端子がＬレベル
図６．ＰＩＣ入出力ポートの様子 （信号レベル Ｌ→ Ｈの動作チェック）

誤動作確認のプログラム（2-1）
　　　　　NOP命令を挿入した場合
　　　　信号レベル Ｈ→ Ｌの動作チェック

BCF／BSF命令で設定した後にNOP命令を挿入しました。誤動作防止にどの程度効果があるのか下記のプログラムで調べてみます。

→ここをクリックして、下記のプログラムをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_21.asm」　サイズ３．３３ｋバイト

→ここをクリックして、下記のオブジェクトファイルをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_21.hex」　サイズ３４５バイト

【プログラムの説明（2-1）】
プログラムの説明（１-1）と重複するところは省略します。プログラム（１-1）との変更点は次のところです。

（１０’）RB7〜0ピンを順次Ｌレベルに設定
　　　　誤動作防止のNOP命令

BCF命令＆NOP命令により、RB7からRB0までの端子を順次Ｌレベルに設定していきます。


実験結果（2-1）
　　　　NOP命令を挿入した場合
　　　　信号レベル Ｈ→ Ｌの動作チェック
NOP命令がなかった場合は、Ｃ＝３７０〜３８０ｐＦのコンデンサで発生していましたが、BCF命令の後に誤動作防止のNOP命令１個を追加したプログラムでは、Ｃ＝３３００ｐＦ程度まで誤動作は生じませんでした。単純計算では、１クロック分相当で誤動作が発生したとすると、NOP命令（４クロック分）を追加した場合は、１＋４＝５クロック分相当になるので５倍の容量まで大丈夫と推測しましたが、実際には９倍の容量までＯＫなようです。



誤動作確認のプログラム（2-2）
　　　　　NOP命令を挿入した場合
　　　　信号レベル Ｌ→ Ｈの動作チェック

BCF／BSF命令で設定した後にNOP命令を挿入しました。誤動作防止にどの程度効果があるのか下記のプログラムで調べてみます。

→ここをクリックして、下記のプログラムをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_22.asm」　サイズ３．３３ｋバイト

→ここをクリックして、下記のオブジェクトファイルをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「pic_22.hex」　サイズ３４５バイト

【プログラムの説明（2-2）】
プログラムの説明（１-2）と重複するところは省略します。プログラム（１-2）との変更点は次のところです。

（１０’）RB7〜0ピンを順次Ｈレベルに設定
　　　　誤動作防止のNOP命令

BＳF命令＆NOP命令により、RB7からRB0までの端子を順次Ｈレベルに設定していきます。


実験結果（2-2）
　　　　NOP命令を挿入した場合
　　　　信号レベル Ｌ→ Ｈの動作チェック
NOP命令がなかった場合は、Ｃ＝７５０ｐＦ以上のコンデンサで発生していましたが、BCF命令の後に誤動作防止のNOP命令１個を追加したプログラムでは、Ｃ＝４７００ｐＦ程度まで誤動作は生じませんでした。単純計算では、１クロック分相当で誤動作が発生したとすると、NOP命令（４クロック分）を追加した場合は、１＋４＝５クロック分相当になるので５倍の容量まで大丈夫と推測しましたが、実際には６倍の容量までＯＫなようです。


まとめ

使用PIC：PIC16F877-２０／Ｐ
　　　　　　PORTB　3ピンとGND間にコンデンサを接続
　　　　　　Weak pull-upはオフ


高山さんからの実験報告の紹介
今回の実験におきまして、高山さんから追試の実験報告をいただきましたのでご紹介します。

　どもども。。。

　　　　　高山です。
　　　　　こちらでも、PORTに対するBCF/BSFでの
　　　　　データ化けについて、追試してみました。
　　　　　チップが違うせいか、島田さんの結果よりおおきな容量まで
　　　　　OKなようです。

　●使用PIC
　　　　　16F876-20/SP
　　　　　0042GH2

　●実験方法
　　　　　20MHzのセラミックレゾネータで動作。
　　　　　PORTB1とGNDの間にコンデンサを接続。
　　　　　以下のプログラムを動作させオシロで波形観測。
　　　　　Weak pull-upはオフです。

　信号０→１のチェック
　main
　　　　movlw 0x00
　　　　movwf PORTB
　　　　nop
　　　　bsf PORTB,0
　　　　bsf PORTB,1 ; 観測対象ポートの操作
　　　　bsf PORTB,2 ; 誤動作誘因命令
　　　　nop
　　　　nop
　　　　goto main

　信号１→０のチェック
main2
　　　　movlw 0xff
　　　　movwf PORTB
　　　　nop
　　　　bcf PORTB,0
　　　　bcf PORTB,1 ; 観測対象ポートの操作
　　　　bcf PORTB,2 ; 誤動作誘因命令
　　　　nop
　　　　nop
　　　　goto main2

●波形

信号0→1のチェック

負荷無しの状態の波形（図７）
　　オーバシュート、アンダーシュートが結構出ていますが、適当に作った
　　実験回路ですので、こんな物でしょう。
　　横軸は0.1us/DIV、縦軸は2V/DIVになっています。
　　(横軸は2clock/DIVになります。)
　　上がPORTB0、下がPORTB1です。

（注）下記の図７〜図１１に掲載した写真は、
　　　　高山さんが撮影されたものです。

図７．信号0→1のチェック 　　　　負荷無しの状態の波形

容量負荷470+220pfの波形（図８）
　　セラミックＣを並列接続した物です。
　　立ち上がりの波形が鈍ってきています。

図８．信号0→1のチェック 　　　　容量負荷470+220pfの波形

容量負荷470+330pfの波形（図９）
　　１クロック後のサンプル時点(信号の立ち上がりから目盛り半分の所)での
　　電圧がしきい値を下回ってしまっているため、２目盛り先のBSF PORTB,2の
　　結果が書き込まれる所で、出力が0に書き換えられてしまっています。

図９．信号0→1のチェック 　　　　容量負荷470+330pfの波形

信号1→0のチェック

容量負荷470+220pfの波形（図１０）
　　0→1ではOKだった同じ容量でも、1→0の場合はこうなりました。
　　見た感じでは、0.75Vより下まで下がっていそうなんだけど。。。

図10．信号1→0のチェック 　　　　容量負荷470+220pfの波形

容量負荷470pfの波形（図１１）
　　上の220pfをはずした物です。

図11．信号1→0のチェック 　　　　容量負荷470pfの波形

おまけ。。。

LEDを+5VからPORTB1に直結(PORTB吸い込み)した場合の波形
抵抗ぐらい入れないとまずいと思いますけど、試しにやってみると
やはり電圧が落ちきらずに、次のBCF PORTB,2で書きかわってしまっています。

容量負荷は50pまでという規格になっている様ですが、今回の範囲では
十分クリアしていると思います。
ただ、この辺りを無視して過負荷にすると落とし穴が待っている事も
確実な様です。(私は容量なんぞ気にした試しがないし。。。^_^;)
あと、借り物で慣れていないとは言え、デジタルカメラでオシロの
画面をとるのって、難しいと実感しました。。。(^_^;

　高山

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