引言

　　USB是一種快速的,、雙向同步傳輸?shù)摹⒘畠r(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(jiǎn)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(chǎng)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(wèn)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(jiǎn)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(wàn)次，而數(shù)據(jù)保存期能超過(guò)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(guò)USB端口對(duì)最終應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(zhǎng)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)：　① 精度高,。光柵位移傳感器在大量程測(cè)量長(zhǎng)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,。

　?、?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,。

　?、?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,。

　　④ 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(jiǎn)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(guò)程,；同時(shí),，可以直接利用開發(fā)套件來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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,。