PIC單片機USB接口應用設計

摘要：隨著信息技術高速發展，計算機和外圍設備通訊重要性日益增強，傳授速度快，連接簡便的USB接口是實現通訊的最常見接口，支持USB的外圍設備已經成為了一種反應技術性能的關鍵指標，本研究以PIC單片機18F67J50為控制器，對醫用肺功能測定儀進行了重新設計，實現了USB數據通訊的接口功能。

關鍵詞：PIC；USB；單片機；應用

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 16-0049-01

肺功能測定是臨床較為常見的一種檢查，對于患者肺及氣道早期檢查具有積極作用，同時可以對患者病情嚴重程度給予評估。能夠通過檢測呼氣流速實現多項生理參數評估的醫學儀器，由于一些早期肺功能測定儀不支持USB通信，在數據導入導出中不夠方便，本研究通過帶有USB模塊的單片機改造，實現了USB通信功能。

一、PIC單片機USB模塊

帶改造肺功能測試儀采用的單片機為PIC18F6720型，為確保兼容性，加快改進速度，本次選用的單片機為PIC18F67J50系列單片機。

（一）USB外設

PIC18F67J50系列單片機的USB模塊能夠實現USB2.0串口兼容，同時可支持全速接口（12Mb/s)和低速接口(1.5Mb/s)，可以全面支持中斷、控制及批量傳輸，能夠支持雙向16對端點，最多32個端點（雙向16對），RAM具有CPU和USB模塊雙重存取特性。

（二）USB電源模式

在USB電源配置方面，有著不同的要求和配置，比較常見模式為的電源模式包括Self-Power Only（僅自供電)、Dual Powe（雙電源）、Bus Power Only（僅總線供電）等三種供電模式。其中僅總線供電模式下是最簡單和是最常用的一種供電方式，這種方式電源自USB接口，在供電方式上非常簡單。為符合USB2.0對于浪涌電流的規范化要求，Vbus同接地端間等效電容應在l0uF以下。按照USB2.0的規范，USB還應可以支持低功耗掛起模式。在USB提供V的Vbus線供電過程中，其實際電流消耗應在500uA以內，通信停止至少3ms來實現主機和外設之間的掛起模式通信。在elf-Power Only（僅自供電)模式中，USB采取自身提供電源的方式，僅有很小電源來自USB，并通常都需要增加相應的連接指示器，來顯示USB和主機連接及Vbus供電情況。

（三）振蕩器

USB模塊具有相應的時鐘要求。在低速運行狀態下，需要給予USB模塊6MHz的時鐘脈沖頻率，在全速運行狀態下，需要USB模塊48MHz的時鐘脈沖頻率為48MHz。然而，無論USB模塊的時鐘脈沖頻率如何，單片機CPU等外設振蕩器均需要在一定的時鐘速度運行。

二、PIC單片機固件開發

本研究選擇的PIC單片機程序環境為MPLAB IDE，改集成開發環境平臺中，可全面支持機器碼編譯連接、源程序編寫、開發調試工具等功能。軟件可免費通過微芯公司官方網站進行下載，此外，在開發語言上也完全支持C語言以及第三方語言工具，主要包括：Byte Craft、CCS、B Knudsen Data、HI-TECH等。本研究中原有肺功能檢測儀的采取的程序編譯器為第三方提供的HI-TECH，有因此支持nc器件較少，開發成本較高，在綜合考慮成本因素和實用因素的基礎上，本研究最終采用的編譯器為微芯公司的MPLAB C18。

而采取微芯公司的MPLAB C18需要對而這需要對肺功能檢測儀原程序的變量定義實施修改，所以必須首先對MPLAB C18的變量的存儲區進行定義。默認狀態下，編譯器會假定無跨越存儲區邊界問題。因此在創建超過256字節的變量中可對鏈接描述文件進行相應修改。

三、固件編程

肺功能檢測儀固件改進的目的重要在于通過USB接口實現計算機數據處理和本機數據提取功能。因此，在主要改進容物就集中在保持原有操作代碼基礎上的USB的HID類通信上，實現USB總線的通信命令傳送和數據采集并及時返回。

（一）USB狀態和控制

在編寫USB模塊固件程序時會用到USB傳輸狀態寄存器（USTAT)、USB配置寄存器（UCFG)、USB控制寄存器（UCON) 3個寄存器進行當前工作狀態的設置和查詢，并進入到相應的控制流程當中。

控制寄存器主要包括零電平復位、USB模塊等狀態配置管理；配置寄存器主要包括片上上拉電阻、總線速度、片上收發器與USB模塊硬件相關的配置；狀態寄存器則主要負責提供串行接口引擎（SIE)中的狀態報告，一旦發現中斷信號，應首先進行該寄存器的讀取工作，并以此完成傳輸的狀態的確認。

（二）USB中斷

USB模塊的絕大部分活動均有中斷進行觸發，和其他單片機中斷源一樣，該模塊也有著自身的特定中斷邏輯結構。能夠通過一組寄存器允許USB中斷，同時可以用一組單獨的標志寄存器來實現中斷事件捕獲。在本研究中的單片機中斷邏輯中，USB中斷源均通過頂層的USB中斷請求來反應和標志位USBIF，在通過中斷第二層寄存器來進行確認。

四、系統流程與釆集

當肺功能測試儀開啟后，應首先對單片機以及液晶屏等進行初始化處理。再通過USB檢測引腳來對高電平情況進行判斷，如果出現高電平則可以說明已連接上了USB線，可以對PIC單片機的USB模塊進行初始化配置工作，在肺功能測試儀液晶屏上出現“連接USB線”提示，在這一期間應禁止鍵盤中斷使能，也就是不允許實施本機操作。隨后實施USB枚舉過程，進行接口和端點配置。在完成配置工作后，即可以實施相應的計算機操作工作。通過控制輸出端點0上位機將命令向下位機進行發送。設備完成對命令的響應工作，開始進行數據采集工作，通過中斷輸入端點1可實現返回數據。

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