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Comunicación USB con el PIC PIC18F4550

Placa fenix V1.0Ejemplo de comunicación entre un PIC 18F4550 y una aplicación de escritorio, utilizando un entorno de programación Multiplataforma, que nos permita ejecutar la aplicación en diferentes sistemas operativos.

 

La realización de un ejemplo de comunicación USB entre un PC y un microcontrolador, la podemos dividir en varios apartados, que son:  

  • Realización de la Proto-Board ó desarrollo del circuito en un entorno simulado como Proteus.
  • Desarrollo del firware ó programa que se cargará en el microcontrolador.
  • Instalación de los drivers en el PC.
  • Desarrollo de la aplicación de escritorio que servirá de interfaz de comunicación entre el usuario y el microcontrolador.

Empecemos a describir cada uno de estos puntos.

 

 

Para la realización del ejemplo se ha diseñado la siguiente placa de desarrollo a la que he llamado "Fenix V1.0" para poder referirme a ella en futuros ejemplos.

 

Fenix V1.0

 

La placa es simple, del tipo modular ya que tiene disponible todas las patillas del PIC, lo que permite la adaptación a cualquier tipo de proyecto que utilice USB o no. Las características son las siguientes:

  • Zócalo de conexión de 40 pines donde va insertado por defecto el PIC18F4550, este PIC además de implementar una interfaz integrada para la comunicación USB dispone de un gran número de pines (idóneo para una placa de desarrollo donde a priori no sabemos los circuitos que vamos a montar en ella). Con respecto a las características de conectividad USB este Microcontrolador, presenta las siguientes: compatibilidad con USB 2.0, velocidad de trasmisión Low Speed (1.5 Mb/s) y Full Speed (12 Mb/s). Soporta transferencias del tipo: Control, Interrupción, Isocrónicas y del tipo Bulk (para grandes transferencias de datos). Soporta hasta 32 Endpoints 16 de los cuales son bidireccionales. Mas adelante veremos lo que significa cada una de estas nuevas palabras que aparecen cuando utilizamos conectividad USB.
  • La placa permite seleccionar su alimentación por medio de un "Jumper" desde una fuente externa o a través del propio conector USB, teniendo en cuenta en este caso que el control de la alimentación es gestionada por el Host y que en la especificación USB 2.0 ese valor no debe sobrepasar los 500 mA en el mejor de los casos (cuando el dispositivo se alimenta a través de un hub con alimentación propia), USB 3.0 soporta hasta 900 mA, pero que yo sepa por el momento no hay microcontroladores que soporten esta especificación.
  • Conexión ICD a través de un conector RJ-12 que permite la conexión directa a programadores/debuggers como el ICD-U64 y el ICD2 o ICD3.
  • Conector USB tipo A, regleta de conexiones para la alimentación de 5V externos, botón de reset para el PIC, zócalo para el cristal de cuarzo, led de alimentación y array de pines para todos los puertos del PIC.

Consideraciones de diseño.

El que la placa tenga un diseño modular permite mucha flexibilidad a la hora de probar nuestros prototipos, basta que hagas fijo la funcionalidad de un determinado pin, para que en el siguiente prototipo lo tengas que utilizar para otra cosa. Otra decisión importante que hay que tener en cuenta en el diseño de la placa son los conectores a  utilizar, con respecto al conector del programador/debugger la decisión fue rápida decidí utilizar el RJ-12 ya que los programadores que utilizo (ICD-64 y el ICD2) tienen este conector y vienen ya con el cablecito incorporado para la conexión, el esquema de conexión del ICD-U64 a la placa lo tenéis aquí .  
Con respecto a los conectores para los puertos del PIC personalmente prefiero los que te permiten el acceso a los pines individualmente, dentro de esta filosofía se pueden utilizar regletas de conexiones que permiten utilizar cualquier tipo de cable para conectar los módulos de expansión ó array de pines (o postes) como se les quiera llamar, que permiten la conexión fácil a través de cablecillos rígidos,  
para esta placa he utilizado los array de pines, con respecto a las regletas de conexiones tienen la ventaja de que te ahorras el atornillado de los cables, ocupan menos espacio y son más baratos. Las regletas de conexiones tienen a su favor que los cables quedan mas sujetos y permiten el movimiento de los módulos sin correr el riesgo de que se desconecte algún cable. Con respecto al conector USB los que se utilizan normalmente para los dispositivos son los del tipo B, si he utilizado uno del tipo A simplemente es porque es el único que tenía disponible (reciclado de una vieja placa base de ordenador).

Con respecto al software de diseño de la placa podéis utilizar el que más os guste hay donde elegir: Altium (Antiguo Protel), Eagle, KiCAD, OrCAD, Ares, PCB Wizar, PCB Artist, etc.

Otro tema de decisión en el diseño es si utilizar componentes SMD o componentes convencionales, aunque parezca mentira no es mucho más difícil el montaje de circuitos con componentes de superficie (SMD) que hacerlo con componentes del tipo de agujeros pasantes THT (Through-Hole Technology), al utilizar componentes SMD la placa será mas pequeña y además te ahorras el taladrado de la placa, una ventaja importante si encima utilizas una placa a doble cara, en mi caso simplemente no los suelo utilizar por que la única forma de obtenerlos es por Internet con los gastos adicionales que conlleva, por lo que esta placa está diseñada íntegramente con componentes convencionales,  claro que a veces no hay otra opción ya que hay componentes que solo se fabrican en encapsulado SMD.

Por último queda la decisión de utilizar para el diseño una placa de circuito impreso simple o a doble cara, el desarrollo de placas a doble capa utilizando los métodos caseros tradicionales como el insolado y la técnica de la plancha suele costar un poco más de trabajo al principio, pero una vez que perfeccionas la técnica su utilización en circuitos de mediana complejidad es aconsejable, el que solo haga sus diseños a una cara sabe el tiempo que hay que perder modificando el ruteo de la placa para incluir los tediosos puentes de conexión.

DEFINICIONES SOBRE CONCEPTOS DEL ESTÁNDAR USB

El que venga de utilizar interfaces de comunicación más simples como RS-232 se encuentra que en la comunicación USB aparecen una serie de términos nuevos como: endpoint, pipes, transacciones, clases, Enumeración, descriptores etc. que al principio pueden resultar difíciles de entender, voy a intentar dar una explicación personalizada de dichos conceptos. Quien quiera una explicación más rigurosa puede leer la bibliografía citada al final del artículo.

Interfaz física

La interfaz física está formada por cuatro hilos dos para la alimentación 5v (Rojo) GND (Negro) y dos para datos D+ (verde) y D- (Blanco) Lo del signo + y - es porque es una señal diferencial cuyo valor depende de la velocidad del bus (3,3v para low-speed y 400mV para high-speed).
Los conectores se les denomina de tipo A y de tipo B, una imagen de dichos conectores la tenéis aquí.

Nota: la fuente de la imagen está en la dirección URL.

Velocidades del Bus

Hay que decir que el Host es el que controla la velocidad en la que circulan los datos en el bus USB y que al ser un bus compartido, la velocidad real dependerá de la cantidad de dispositivos que tengamos conectados a el en un momento determinado (máximo 127 incluyendo al Host). Por tanto los datos siguientes son solo teóricos y de referencia.

  • Low speed: 1,5 Mbps. Soportado por las especificaciones 1.1, 2.0 y 3.0. Es la velocidad utilizada por dispositivos como teclados, ratones, joystick, etc.
  • Full speed: 12 Mbps. Soportado por USB 1.1, USB 2.0 y USB 3.0. Un ejemplo donde se utilizan estas velocidades es en transmisiones de audio.
  • High speed: 480 Mbps. Solo USB 2.0 y USB 3.0. Ejemplo transmisiones de video.
  • Super speed: 5Gbps solo soportado en dispositivos USB 3.0, y como he dicho antes no conozco ningún microcontrolador que soporte esta especificación.

Transferencias

Una transferencia se puede definir como el conjunto global de los datos que forman una comunicación USB, una transferencia está formada a su vez por una o varias transacciones que a su vez están formadas por diferentes paquetes de datos que contienen las tramas de una comunicación USB.

No existe un formato único de transferencia, la especificación USB permite cuatro tipos de transferencias:

  • Control: se utilizan para configurar y enviar comandos, por ejemplo en la enumeración del dispositivo, más adelante veremos lo que es esto.
  • Bulk (masivas): se utilizan cuando se precisa una transferencia de datos grande, es el tipo más rápido de transferencia, sin embargo no hay garantía de que los datos se transmitan en un tiempo determinado (no garantizada la latencia). Si que hay verificación de que los datos se han transmitido con éxito ya que dispone de sistema de corrección de errores (CRC), esta transferencia solo la pueden utilizar dispositivos que soporten velocidades Full y High Speed. Este tipo de transferencia es utilizada por dispositivos como por ejemplo: discos duros, pen drivers, escaners, impresoras, etc.
  • Isócronas: Es usada en dispositivos que transmiten señales de audio y de vídeo en tiempo real. Se garantiza una tasa de velocidad de transmisión determinada (latencia asegurada). Si no fuera así, por ejemplo en una transmisión de voz el audio se oiría entrecortado. No contempla la corrección de errores, si en un archivo de sonido se pierde un BIT, no es importante su recuperación. Para usar este tipo de transferencia es necesario que los dispositivos soporten velocidades Full Speed.
  • interrupción: latencia asegurada y verificación de que los datos se han transmitido con éxito, Se utiliza en dispositivos como: Teclados, Mouse, Sensores, Pantallas táctiles,  y dispositivos que no requieran mucho ancho de banda.

Los dispositivos usan uno o más tipos de transferencia, la de control es utilizada siempre por todos los dispositivos en el proceso de enumeración. Si se utiliza otra transferencia habrá que hacerlo en función
del tipo y cantidad de datos a transmitir.

 

¿En que consiste la Enumeración?

El Host es el encargado de detectar cualquier dispositivo que se conecta al bus. Cuando un dispositivo es detectado el Host necesita obtener información sobre el, a este proceso es al que se le llama enumeración. Esta información que necesita el Host se encuentra definida en el dispositivo en los llamados descriptores. Los descriptores son datos que se guardan en la memoria no volátil del PIC y contienen la siguiente información: El ID del vendedor (VID) y del producto (PID), consumo de corriente del dispositivo, tipo de transferencia que se va ha utilizar, endpoint utilizados, versión USB soportada, clase utilizada, etc.


El VID (Vendor ID) y el PIC (Product ID) son dos números de 16 bits representados en Hexadecimal, si utilizamos la clase CDC (Communications Device Class) de CCS para la comunicación USB estos valores los podemos modificar en el archivo "usb_desc_cdc.h" y según el sistema operativo instalado en el Host deberemos modificarlos también en el archivo .inf, pero esto lo veremos más adelante.


Realmente el modificar estos valores solo es útil si queremos distribuir nuestro producto comercialmente, en ese caso existe una organización llamada USB Implementers Forum que se encarga de proporcionarnos previo pago correspondiente (creo que unos 1500 $) un VID valido para que nuestro dispositivo conviva sin problemas con el resto de dispositivos USB del mercado, además tendremos derecho a poner el logo USB en nuestro producto certificando de esta manera que ha pasado los controles pertinentes y cumple con el estándar USB. Todo esto es similar al proceso que se sigue a la hora de obtener una dirección MAC en una tarjeta de red.

Si esto no estuviera regulado tal y como está y cada dispositivo tuviera el VID y PID que quisiera, cuando coincidieran en un mismo sistema dos números iguales se presentaría un conflicto hardware y ambos dispositivos dejarían de funcionar.

Seguiremos con las definiciones de conceptos un poco abstractos...

¿Que es un endpoint?

Los endpoint son simplemente buffer de memoria RAM que son utilizados para el envío y recepción de datos o comandos de control durante una comunicación USB. cada endpoint puede ser de entrada o salida de datos o bidireccional, el endpoint 0 está reservado para comandos de control, el proceso de enumeración se realiza a través del endpoint número 0. Este concepto solo se aplica al dispositivo, en el host existen también buffer para el envío y recepción de datos pero no se les denomina con este nombre.

¿Que es un Pipe o Tubería?

Es una conexión lógica entre un endpoint y el software del controlador del host que se produce tras el proceso de enumeración. Los Pipes se usan mucho en Sistemas Operativos como UNIX/LINUX para enlazar la salida de un proceso con la entrada de otro, en este caso el concepto es el mismo.

¿Que es una clase?

Una clase es un modelo o plantilla que describe el estado y el comportamiento de los objetos que la comparten. La clase provee de propiedades y métodos (funciones) reutilizables por los objetos o miembros que comparten la clase. Esta definición general de clase utilizada en la programación orientada a objetos creo que es la mejor para definir este concepto utilizado en USB. La especificación USB provee de propiedades y funciones que pueden ser utilizadas por los dispositivos que tengan características similares. Por ejemplo, un teclado y un ratón por sus características pertenecerán a la misma clase la llamada Human Interface Device (HID), pues bien si yo diseño el firware de un dispositivo con las especificaciones que me exige esta clase podré beneficiarme  de esas propiedades y funciones comunes a la clase, una ventaja de utilizar esta clase por ejemplo es que no se necesita instalar ningún driver para el dispositivo ya que el sistema operativo utilizará uno genérico para todos.

La especificación USB provee de muchas clases para facilitar la vida al desarrollador de dispositivos, puedes ver una información más precisa de las clases disponibles aquí.

Las clases más utilizadas con Microcontroladores son:

  • HID (Human Interface Device): ejemplos de dispositivos que utilizan esta clase como hemos dicho ya son: teclados, ratones, pantallas táctiles, joystick, etc. Velocidad low-speed (64 KB/s de velocidad máxima), tipos de transferencias soportadas: de control y de Interrupción. Una característica interesante al utilizar esta clase es que no se necesita instalar un driver especifico en el Sistema Operativo, se utiliza uno estándar que ya está incluido en el sistema. En el S.O Windows la aplicación de escritorio accede al dispositivo con ayuda de las APIS win32. En Linux veremos como utilizar esta clase en un futuro ejemplo.
  • MSD (Mass Storage Device Class): Como su propio nombre indica para dispositivos de almacenamiento masivo como discos duros, memorias flash, cámaras digitales, dispositivos ópticos externos como lectores y grabadoras de CD y DVD, etc. Esta clase se puede utilizar solo en dispositivos que soporten velocidades Full y High Speed. El tipo de transferencias utilizadas es Bulk o una combinación formada por transferencias del tipo Control, Bulk y Interrupt. Microchip tiene notas de aplicación sobre esta clase como la AN1003, CCS también implementa ejemplos sobre esta clase. No se necesita la instalación de un driver específico, se utilizan drivers genéricos instalados ya en los Sistemas Operativos, en Windows se utiliza el driver llamado usbstor.sys ubicado en C:\Windows\Sistem32\drivers.
  • CDC (Communications Device Class): Un ejemplo de dispositivo que utiliza esta clase son los Modems, en este primer ejemplo utilizaremos esta clase para comunicar nuestro PIC18F4550 con la aplicación de escritorio que realizaremos con un IDE multiplataforma, que nos permitirá ejecutar la aplicación en diferentes sistemas operativos, concretamente en Windows, Linux y MAC. La velocidad máxima al utilizar esta clase será de 80 kBytes/s y el tipo de transferencias soportadas son del tipo interrupción y Bulk. Utiliza también driver estándar incluidos ya en el sistema operativo, según el sistema operativo utilizado precisará o no de la instalación del archivo .INF, cuando utilizamos esta clase en el PC nos creará un puerto serie virtual y la comunicación entre el dispositivo y la aplicación de escritorio se hará a través de el al igual que se haría con un puerto serie físico, esto supone una gran ventaja a la hora de diseñar la aplicación de escritorio, ya que cualquier IDE de programación sea del lenguaje que sea, dispone de un componente o librería que permite el acceso al puerto serie fácilmente.
  • Existe una clase genérica llamada "Custom Class" que se utiliza cuando el dispositivo no se asemeja a las características  de ninguno de los miembros pertenecientes a otras clases. un ejemplo de dispositivo que utiliza esta clase es el ICD2 o ICD3 de Microchip.

Si el firware de nuestro dispositivo no cumple con las especificaciones de alguna de las clases que se beneficia del uso de drivers genéricos instalados ya en el sistema operativo no queda otra que diseñar un driver para nuestro dispositivo, sino el dispositivo no será reconocido por el PC, diseñar un driver desde cero es muy complicado ya que se requiere profundos conocimientos tanto de la arquitectura del PC como del Sistema Operativo que tenga instalado. Afortunadamente ya hay drivers personalizados que podemos utilizar en nuestros proyectos, algunos de ellos son los siguientes:

  • Naturalmente el que proporciona Microchip: para la utilización de este driver Microchip nos proporciona los siguientes archivos:
    • mchpusb.sys es el driver en si y solo está disponible en formato binario.
    • mchpusb.ini este archivo contiene información del driver y es requerido por el sistema operativo para que cuando se conecta por primera vez el dispositivo al PC este sepa que driver tiene que asignarle.  El S.O también obtiene información de este archivo para configurar correctamente el dispositivo. Es un archivo de texto que se puede editar y modificar algunas cosas en el, como los valores del VID y PID que deben de coincidir con los definidos en los descriptores del dispositivo, también se pueden modificar algunas cadenas de texto que se mostraran como información del dispositivo una vez instalado el driver en el S.O, lo demás mejor no tocarlo sino queremos que nuestro dispositivo deje de funcionar.
    • La DLL mpusbapi: una dll es una capa software que en este caso facilita por medio de funciones la comunicación entre la aplicación de escritorio y el driver del dispositivo. Esta dll está compilada con el compilador de Borland C++ Builder 6. Microchip facilita su código fuente, por lo que hay dos formas de utilizarla. Si utilizamos el mismo IDE de Borland para crear nuestra aplicación de escritorio, simplemente tendremos que añadir la librería (el archivo mpusbapi.lib) a nuestro proyecto como una librería más (¡ojo la extensión tiene que ser .lib!), si utilizamos otro compilador diferente deberemos de compilar de nuevo los fuentes de la librería para obtener una nueva versión del archivo mpusbapi.lib que sea compatible con el compilador utilizado. La otra opción de utilización de la librería es añadirla a nuestro proyecto de forma dinámica, para ello solo se necesita el archivo con extensión .dll (mpusbapi.dll) proporcionado también por Microchip, de esta forma si utilizamos un compilador diferente como los que nos proporciona Microsoft en su plataforma .NET u otros como LabVIEW, Matlab, RealBAsic, etc. No tendremos que modificar el código fuente de la DLL, simplemente la utilizaremos importando las funciones públicas de la DLL desde nuestra aplicación de escritorio. Microchip proporciona ejemplos de ambas formas. Como veis todo esto del USB da pie a realizar las cosas de diferentes formas, más adelante en otro ejemplo veremos estás dos posibilidades. Pero ¿por que utilizar esta opción y no utilizar siempre las clase CDC, MSD o HID que a priori parece más fácil su utilización? Simplemente porque utilizando un driver personalizado en vez de los genéricos que proporciona Windows obtenemos una comunicación USB más versátil y con mayores prestaciones. Por ejemplo, en cuanto a velocidad podremos alcanzar velocidades de hasta 1MB/s frente a los 64 KB/s de la clase HID y los 80 kBytes/s de la clase CDC, además el driver de Microchip soporta todos los tipos de transferencia (Control, Isócronas, Interrup y Bulk), cosa que no ocurre igual si utilizamos las otras clases como ya hemos visto.


      En su última versión este driver está soportado por los siguientes sistemas operativos: Windows 2000, Windows Server 2003, Windows XP, Windows XP 64, Windows Vista, Windows Vista 64 y Windows 7                                                                                                             Nota importante: cuando utilizamos el driver personalizado de Microchip los datos se transmiten en raw (crudo) y la aplicación de escritorio intercambia información con el PIC directamente a través de los enpoints utilizados por este, en este caso se usa un protocolo de comunicación que a priori no está definido. Es importante que copiemos del archivo .INF el valor del campo definido como GUI (Global Unique Identifier), que es un número que sirve para que la aplicación pueda acceder al dispositivo, luego accederemos a la dll desde el IDE que hallamos elegido para desarrollar la aplicación de escritorio editaremos las  
      propiedades y funciones publicas de la dll buscando un campo que se llame GUI (o algo así) y si no coincide tendremos que pegar hay ese número, si no lo hacemos no se podrá crear la tubería de conexión (pipe) entre nuestra aplicación y el driver.  
      Cuando utilizamos la clase CDC esto no es necesario ya que la comunicación está definida a través del puerto serie virtual creado y la información se transmite por defecto en forma de caracteres ASCII al igual que un puerto serie físico.

Otros drivers que podemos utilizar para nuestro PIC 18fx550 son:

  • WinUSB: es el driver genérico para USB que propone utilizar Microsof cuando nuestro dispositivo no puede ser manejado directamente por los drivers que ya incluye por defecto en su sistema operativo. Para ello al igual que Microchip proporciona los siguientes archivos: Winusb.sys, Winusb.ini y la librería dinámica Winusb.dll que al igual que la dll de Microchip nos proporciona una serie de funciones públicas para acceder fácilmente al driver y a las APIs win32 de Windows desde nuestra aplicación de escritorio.
    Toda la información que proporcionada Microsof sobre este driver la podéis encontrar en el siguiente enlace.
  • libUSB: Es un driver de código abierto con licencia GNU, se puede instalar en múltiples sistemas operativos como LInux, MAC y otros, incluyendo Windows a través de su versión libusb-win32. Toda la información de este driver lo tenéis en la página del proyecto. Además existen ejemplos ya hechos para utilizar con diferentes lenguajes y entornos de programación como: Java, Python, Ruby, .NET, etc.

Bueno y con esto se acaba la pequeña introducción sobre USB enfocada a los PIC, la mayoría de datos y valores numéricos de está información además de los datasheets está sacada de apuntes y notas tomadas por mí en las diferentes presentaciones y seminarios de Microchip a los que he podido asistir a lo largo del tiempo que estoy con esto de los PICs, por lo que no descarto que pueda haber algún error, de vosotros depende el verificar dichos datos y si encontráis algún error sería bueno para todos que lo comentarais en el foro.

Una vez dicho esto continuemos con el siguiente paso.

 

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