帶全速USB接口的單片機PIC18F4550的應用設計方法

引言

　　USB是一種快速的、雙向同步傳輸的、廉價(jià)并可以進(jìn)行熱插拔的串行接口。利用USB總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)適用于科學(xué)研究和工業(yè)牛產(chǎn)的各種儀器儀表設備，借以取代傳統計算機測控系統中采用串行RS232或并行接口的儀器儀表設備，使計算機測控系統更加高效實(shí)時(shí)，方便靈活。

　　利用USB總線(xiàn)的數據采集方案有兩種，一種是采用普通單片機加上專(zhuān)用的USB通信芯片。該方案可充分利用開(kāi)發(fā)人員原有的硬件資源和軟件知識，開(kāi)發(fā)成本較低，但系統的設計和調試較為麻煩，且電磁兼容性差，容易造成主機不能識別USB設備。另一種是利用具有USB接口功能的單片機。使用這些專(zhuān)用芯片構成的數據采集系統電路設計簡(jiǎn)單，調試方便，電磁兼容性好。然而，目前大部分具有USB功能的單片機都是專(zhuān)門(mén)針對個(gè)人計算機外圍設備或消費市場(chǎng)的需要而設計的，忽略了嵌入式工程師的需要。Microchip公司新款PIC18F4550系列單片機的問(wèn)世，為廣泛的嵌入式應用增添了全速USB的優(yōu)勢，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)人計算機的情況下，也能正常工作。

　　本文以光柵位移傳感器檢測系統的設計為背景，詳細介紹了帶全速USB接口的單片機PIC18F4550的應用設計方法。

　　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，芯片為40／44腳封裝。該單片機除了具有PIC單片機所特有的精簡(jiǎn)指令集(RISC)、數據總線(xiàn)和指令總線(xiàn)相互獨立的哈佛(Harvard)結構等特點(diǎn)外，還配備了自編程閃存存儲器以及納瓦節能技術(shù)，工作頻率達48 MHz，數據傳輸速率高達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(xiě)次數可高達100萬(wàn)次，而數據保存期能超過(guò)40年。因而該芯片有很強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32個(gè)端點(diǎn)(雙向16對)和2種數據傳輸速率(即全速模式1 2 Mbps和低速模式1.5 Mbps)，具有USB協(xié)議所規定的4種數據傳輸方式(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，能把數據直接傳送到外部的設備，不僅減小了CPU的開(kāi)銷(xiāo)，而且大大增強了系統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(yíng)、B、C、D、E；具有多個(gè)中斷源和1個(gè)中斷優(yōu)先級選擇，4個(gè)定時(shí)器，32 KB程序閃存，256字節EEP-ROM數據存儲器，2 048字節數據隨機存儲器以及8×8硬件乘法器；集成了13通道的10位A／D轉換器，2個(gè)CCP(比較／捕捉／PWM)模塊，1個(gè)增強型CCP模塊和1個(gè)看門(mén)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(xiàn)；2個(gè)模擬比較器，支持I2C和SPI通信的主控同步串行端口，可編程欠壓復位及低電壓檢測電路等。

　　PIC18F4550單片機的一個(gè)關(guān)鍵特性在于它配備了32 KB自編程增強型閃存，使得設計人員可以通過(guò)USB端口對最終應用進(jìn)行現場(chǎng)升級。結合新器件配備的一系列片上外設和納瓦技術(shù)(nanoWatt)的功耗管理功能，使其非常適用于多種嵌入式應用，包括工業(yè)、醫療、汽車(chē)、電池供電和消費類(lèi)產(chǎn)品等。

　　2 PIC18F4550的設計應用

　　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光柵，其中一塊是固定的，而另一塊是運動(dòng)的。當它們發(fā)生相對運動(dòng)并有光通過(guò)兩者時(shí)，能夠獲得相當于干涉儀中得到的條紋信號，即所謂的“莫爾條紋信號”。對于一對計量光柵，彼此移動(dòng)一條刻槽(現代計量光柵常采用4～250 L／mm)就移動(dòng)一條莫爾條紋。條紋寬度不受波長(cháng)影響，并且條紋較寬可進(jìn)行內插，由于誤差平均效應，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量長(cháng)度或直線(xiàn)位移方面僅僅低于激光干涉傳感器；在圓分度和角位移測量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的。

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

　?、?可動(dòng)態(tài)測量，易于實(shí)現測量及數據處理自動(dòng)化。

　?、?具有較強的抗干擾能力，對環(huán)境條件的要求不像激光干涉傳感器那么嚴格，但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強。油污和灰塵會(huì )影響它的可靠性，主要適合于在實(shí)驗室和環(huán)境較好的車(chē)間使用。

　　2.2 PIC18F4550硬件設計

　　PIC18F4550的USB接口硬件設計比較簡(jiǎn)單，而單片機控制的外圍設備屬于一般單片機設計，可以參照一般PIC單片機的設計方法。對于USB接口，Microchip公司提供了一套開(kāi)發(fā)套件(Demo板)幫助使用者開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品。它提供了應用程序、驅動(dòng)程序和固件，幫助使用者熟悉USB的工作過(guò)程；同時(shí)，可以直接利用開(kāi)發(fā)套件來(lái)擴展外圍設備。

　　圖1是一個(gè)光柵位移傳感器檢測系統硬件電路框圖，主要實(shí)現數據的采集、處理、傳輸和PWM脈沖的產(chǎn)生等。從光柵傳感器輸入的信號有5路：±sin，±cos以及零窗信號zero。經(jīng)差分放大電路合成，分3路進(jìn)入PIC單片機模擬量輸入口進(jìn)行A／D轉換；同時(shí)，經(jīng)差分放大電路合成后的sin、cos信號經(jīng)過(guò)零比較器后轉換成數字脈沖信號，然后經(jīng)D觸發(fā)器和“與”門(mén)電路完成光柵位移的辨向。PIC單片機T0和T1口接收來(lái)自“與”門(mén)電路的數字脈沖，完成光柵位移的計數(計算光柵尺移動(dòng)的完整光柵數)；PIC單片機RC1口輸出4 MHz的PWM脈沖信號作為D觸發(fā)器的CP信號。計算機的USB接口兩根數據線(xiàn)分別接PIC18F4550的D+和D-口，用于完成計算機和單片機之間的數據通信。計算機的USB電源一方面為PIC微處理器提供能源，另一方面通過(guò)電源模塊轉換成±12 V電源，為運放電路提供正負電源。

　　2.3 單片機軟件部分設計

　　單片機的軟件部分主要完成光柵位移傳感器的數據采集、A／D轉換、計算光柵位移傳感器的正向、反向莫爾條紋的個(gè)數、為數字電路提供CP脈沖以及完成USB的通信等工作。圖2是單片機軟件部分的流程圖。

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