基于PIC單片機(jī)的USB接口設(shè)計(jì)

　　引言

　　USB是一種快速的、雙向同步傳輸?shù)?、廉價(jià)并可以進(jìn)行熱插拔的串行接口。利用USB總線技術(shù)，開發(fā)適用于科學(xué)研究和工業(yè)牛產(chǎn)的各種儀器儀表設(shè)備，借以取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中采用串行RS232或并行接口的儀器儀表設(shè)備，使計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)更加高效實(shí)時(shí)，方便靈活。

　　利用USB總線的數(shù)據(jù)采集方案有兩種，一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片。該方案可充分利用開發(fā)人員原有的硬件資源和軟件知識(shí)，開發(fā)成本較低，但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試較為麻煩，且電磁兼容性差，容易造成主機(jī)不能識(shí)別USB設(shè)備。另一種是利用具有USB接口功能的單片機(jī)。使用這些專用芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好。然而，目前大部分具有USB功能的單片機(jī)都是專門針對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備或消費(fèi)市場的需要而設(shè)計(jì)的，忽略了嵌入式工程師的需要。Microchip公司新款PIC18F4550系列單片機(jī)的問世，為廣泛的嵌入式應(yīng)用增添了全速USB的優(yōu)勢(shì)，即使遇到惡劣的操作環(huán)境或在只能不定時(shí)地連接個(gè)人計(jì)算機(jī)的情況下，也能正常工作。

　　本文以光柵位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為背景，詳細(xì)介紹了帶全速USB接口的單片機(jī)PIC18F4550的應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。

　　1 PIC18F4550介紹

　　PIC18F4550是Microchip公司最新生產(chǎn)的帶全速USB接口的8位高檔單片機(jī)，芯片為40／44腳封裝。該單片機(jī)除了具有PIC單片機(jī)所特有的精簡指令集(RISC)、數(shù)據(jù)總線和指令總線相互獨(dú)立的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)外，還配備了自編程閃存存儲(chǔ)器以及納瓦節(jié)能技術(shù)，工作頻率達(dá)48 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12 Mbps。另外，還具有Microchip先進(jìn)PMOS電可擦除單元(PEEC)閃存技術(shù)，耐擦寫次數(shù)可高達(dá)100萬次，而數(shù)據(jù)保存期能超過40年。因而該芯片有很強(qiáng)的控制能力和靈活的工作方式。新器件的全速USB 2.0接口具有1 KB雙重存取RAM，支持高達(dá)32個(gè)端點(diǎn)(雙向16對(duì))和2種數(shù)據(jù)傳輸速率(即全速模式1 2 Mbps和低速模式1.5 Mbps)，具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種數(shù)據(jù)傳輸方式(控制傳輸方式、中斷傳輸方式、批量傳輸方式和實(shí)時(shí)傳輸方式)。該接口包括一個(gè)片上收發(fā)器和一個(gè)并行流端口，能把數(shù)據(jù)直接傳送到外部的設(shè)備，不僅減小了CPU的開銷，而且大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和工作可靠性。

　　PIC18F4550的硬件資源非常豐富，包含33個(gè)I／O，I／O端口為端口A、B、C、D、E；具有多個(gè)中斷源和1個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)選擇，4個(gè)定時(shí)器，32 KB程序閃存，256字節(jié)EEP-ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2 048字節(jié)數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)器以及8×8硬件乘法器；集成了13通道的10位A／D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)CCP(比較／捕捉／PWM)模塊，1個(gè)增強(qiáng)型CCP模塊和1個(gè)看門狗；具有省電功能的休眠模式；1個(gè)USART不僅支持異步與同步的串行通信，而且支持LIN總線；2個(gè)模擬比較器，支持I2C和SPI通信的主控同步串行端口，可編程欠壓復(fù)位及低電壓檢測(cè)電路等。

　　PIC18F4550單片機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵特性在于它配備了32 KB自編程增強(qiáng)型閃存，使得設(shè)計(jì)人員可以通過USB端口對(duì)最終應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場升級(jí)。結(jié)合新器件配備的一系列片上外設(shè)和納瓦技術(shù)(nanoWatt)的功耗管理功能，使其非常適用于多種嵌入式應(yīng)用，包括工業(yè)、醫(yī)療、汽車、電池供電和消費(fèi)類產(chǎn)品等。

　　2 PIC18F4550的設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　2.1 光柵位移傳感器的基本工作原理、特點(diǎn)

　　光柵位移傳感器的基本工作原理是利用一對(duì)光柵，其中一塊是固定的，而另一塊是運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并有光通過兩者時(shí)，能夠獲得相當(dāng)于干涉儀中得到的條紋信號(hào)，即所謂的“莫爾條紋信號(hào)”。對(duì)于一對(duì)計(jì)量光柵，彼此移動(dòng)一條刻槽(現(xiàn)代計(jì)量光柵常采用4～250 L／mm)就移動(dòng)一條莫爾條紋。條紋寬度不受波長影響，并且條紋較寬可進(jìn)行內(nèi)插，由于誤差平均效應(yīng)，因而可以獲得很高的精度。與普通位移傳感器相比，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：?、?精度高。光柵位移傳感器在大量程測(cè)量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?；在圓分度和角位移測(cè)量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的。

　　② 大量程測(cè)量兼有高分辨率。感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測(cè)量的特點(diǎn)，但分辨力和精度都不如光柵位移傳感器。

　　③ 可動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化。

　?、?具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂敲磭?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)性強(qiáng)。油污和灰塵會(huì)影響它的可靠性，主要適合于在實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境較好的車間使用。

　　2.2 PIC18F4550硬件設(shè)計(jì)

　　PIC18F4550的USB接口硬件設(shè)計(jì)比較簡單，而單片機(jī)控制的外圍設(shè)備屬于一般單片機(jī)設(shè)計(jì)，可以參照一般PIC單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于USB接口，Microchip公司提供了一套開發(fā)套件(Demo板)幫助使用者開發(fā)自己的產(chǎn)品。它提供了應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序和固件，幫助使用者熟悉USB的工作過程；同時(shí)，可以直接利用開發(fā)套件來擴(kuò)展外圍設(shè)備。

　　圖1是一個(gè)光柵位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路框圖，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和PWM脈沖的產(chǎn)生等。從光柵傳感器輸入的信號(hào)有5路：±sin，±cos以及零窗信號(hào)zero。經(jīng)差分放大電路合成，分3路進(jìn)入PIC單片機(jī)模擬量輸入口進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；同時(shí)，經(jīng)差分放大電路合成后的sin、cos信號(hào)經(jīng)過零比較器后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)，然后經(jīng)D觸發(fā)器和“與”門電路完成光柵位移的辨向。PIC單片機(jī)T0和T1口接收來自“與”門電路的數(shù)字脈沖，完成光柵位移的計(jì)數(shù)(計(jì)算光柵尺移動(dòng)的完整光柵數(shù))；PIC單片機(jī)RC1口輸出4 MHz的PWM脈沖信號(hào)作為D觸發(fā)器的CP信號(hào)。計(jì)算機(jī)的USB接口兩根數(shù)據(jù)線分別接PIC18F4550的D+和D-口，用于完成計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。計(jì)算機(jī)的USB電源一方面為PIC微處理器提供能源，另一方面通過電源模塊轉(zhuǎn)換成±12 V電源，為運(yùn)放電路提供正負(fù)電源。