傳統的單片機與計算機進(jìn)行USB通信，需要使用專(zhuān)用的接口芯片進(jìn)行USB 協(xié)議轉換，如CP2101、FT232、CH342、PDIUSBD12、SL811等。像CP2101、FT232這樣的芯片使用起來(lái)雖然簡(jiǎn)單，但是功能比較單一;而PDIUSBD12、SL811功能較強，但是使用復雜。并且這些專(zhuān)用芯片的價(jià)格都相對較高，增加了系統的成本。而VUSB簡(jiǎn)單易用，成本低廉，只需要一個(gè)普通的低成本AVR單片機以及很少的幾個(gè)外部元件，就可以組成一個(gè)USB系統。

1 系統硬件設計

系統組成框架如圖1所示，主要由8路串行輸入DACMAX522、穩壓輸出電路、VUSB接口電路、信號調理電路、單片機Atmega8及其他外圍元件組成，可以輸出0~12V的電壓，步進(jìn)精度為0.1V,電流可達2A.同時(shí)可以通過(guò)上位機設置輸出的電壓值。

圖1:數控直流穩壓源組成

1.1 模數轉換

D/A 轉換主要是利用MAX522 芯片來(lái)實(shí)現的。

MAX522芯片內有2路8位電壓緩沖輸出D/A 轉換器(DAC A和DAC B)，8腳節省封裝和DIP封裝，DAC A端緩沖器工作電流可達5mA,DAC B端緩沖器工作電流可達500μA,MAX522工作在單向電壓+2.7V~+5.5V.

MAX522具有3線(xiàn)串行接口，可直接與SPITM、QSPITM,MicrowireTM 兼容。它有一個(gè)16位輸入移位寄存器，包含8位DAC輸入數據和8位DAC選擇和關(guān)斷控制。在/CS的正邊沿數據能夠存入到DAC寄存器。

模數轉換模塊電路如圖2所示。單片機的PB0端口接串行數據輸入口DIN、PB1接片選信號、PB2端口接時(shí)鐘信號SCLK.選擇DAC A作為輸出，輸出和參考電壓輸入端分別接上一個(gè)0.1μF的電容，提高電路輸出穩定性。芯片的VDD與參考電壓端均由5.12V穩壓電路提供。

圖2:模數轉換及穩壓電路

LM336集成電路是精密的5V穩壓器，其工作相當于一個(gè)低溫度系數的、動(dòng)態(tài)電阻為0.2Ω的5V齊納二極管，其中微調端(G)可以使基準電壓和溫度系數得到微調。通過(guò)調節可調電阻調節LM336的輸出電壓為5.12V.所以MAX522輸出電壓的分辨率為5.12/256=0.02V,也就是說(shuō)MAX522數字輸入量每增加1,電壓就增加0.02V.由于電源輸出電壓范圍為0~12V,步進(jìn)精度為0.1V,則最大輸入數據為120(二進(jìn)制值為11110000)，此時(shí)MAX522輸出值為2.4V.即MAX522的輸出電壓在0~2.4V變化。

1.2 電壓電流放大

由于MAX522輸出的電壓范圍為0~2.4V,而要求的電壓輸出范圍為0~12V,所以需要將MAX522輸出放大5倍。同時(shí)，為了提高電源的驅動(dòng)能力，在放大電路后面加入了一個(gè)射極輸出器。
電壓電流放大電路如圖3所示。主要包括2個(gè)μA741高增益運算放大器組成的放大部分及三極管ZTX453組成的射極輸出部分。第一級μA741AN 為負反饋緩沖電路，用以減小輸出電阻并使放大頻率頻寬增大。第二級μA741ANA構成電壓正向比例放大電路。放大后的電壓信號接入射極輸出器ZTX453,放大輸出信號的電流。注意，此部分電路發(fā)熱量比較大，需要再擴接散熱片進(jìn)行散熱。

圖3:電壓電流放大電路

1.3 VUSB接口

VUSB是用普通的通用AVR單片機，配以較高頻率的晶振(12MHz或16MHz)，模擬產(chǎn)生USB所需信號，從而模擬出標準的USB HID設備(鼠標、鍵盤(pán)、簡(jiǎn)單通信)的解決方案，構成一個(gè)低成本的USB設備。USB共有4根線(xiàn)，2根5V電源，兩根差分信號線(xiàn)D+、D-.由于是低速設備，D-必須要有1.5kΩ的上拉電阻。

VUSB接口電路如圖4所示，單片機的PD1和PD2通過(guò)68Ω的限流電阻分別接入標準USB接口的D-、D+。

需要注意的是D+必須接上單片機的外部中斷0管腳，在此為了簡(jiǎn)化連接直接將PD2(INT0)接入作為其中的一根信號線(xiàn)使用。由于USB信號線(xiàn)的電壓最大為3.6V,所以在D-和D+上分別并接了一個(gè)3.6V的穩壓二極管。

圖4 ：VUSB接口電路

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2 系統軟件設計

軟件設計包括下位機和上位機2部分。下位機主要負責接收上位機的設置電壓值，并經(jīng)過(guò)轉換后輸入到MAX522,從而輸出設置電壓。上位機則通過(guò)VUSB與下位機連接，并通過(guò)模擬的USB協(xié)議向下位機寫(xiě)入數據。

2.1 下位機軟件

下位機軟件流程圖如圖5所示。其中設備初始化包括單片機端口初始化、DAC初始化及VUSB端口初始化。在初始化之后，程序進(jìn)入主循環(huán)，在其中加入了USB輪詢(xún)函數usbPoll()，用來(lái)偵測USB事件。一旦偵測到上位機有USB通信請求時(shí)，usbdrv就會(huì )調用usbFunctionSetup()函數來(lái)處理請求。在此請求函數中接收上位機傳來(lái)的數據并將此數據轉換后寫(xiě)入MAX522數據端口，啟動(dòng)DAC輸出電壓。

圖5：下位機軟件流程

設計中需注意以下幾點(diǎn)：

1)單片機方面的VUSB 底層驅動(dòng)函數使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB為C語(yǔ)言編寫(xiě)并有詳細的注釋。開(kāi)發(fā)平臺為WinAVR.GCC項目文件夾中需包含驅動(dòng)文件(usbdrv文件夾)，并對usbconfig.h中的部分宏定義做一些修改。

#define USB_CFG_IOPORTNAME D//這個(gè)接口連接USB總線(xiàn)。當配置為"D"時(shí)，寄存器PORTD,PIND and DDRD將有效。

#define USB_CFG_DMINUS_BIT 1//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中連接USB D-的線(xiàn)?？梢耘渲脼榻涌诘娜魏挝?。

#define USB_CFG_DPLUS_BIT 2//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中連接USB D+的線(xiàn)。也可以連接到任意口，但是注意D+一定要連接都中斷口INT0。

2)單片機在接收到讀取數據命令時(shí)會(huì )自動(dòng)調用usbFunctionSetup(uchar data[8])，在函數內把全局指針*usbMsgPtr指向所要發(fā)送的數據首地址，然后返回(函數返回值)所發(fā)送數據的長(cháng)度就可以了。由于采用的是命令包方式傳輸數據，每次只能接收4個(gè)字節的有效數據，存儲在data[2]~data[4]中。

3)初始化時(shí)需要將MAX522的輸出置為關(guān)閉狀態(tài)。

寫(xiě)入MAX522時(shí)首先寫(xiě)入8位控制字，然后寫(xiě)入8位DAC數據。

2.2 上位機軟件

上位機用C# 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，驅動(dòng)采用一款名為L(cháng)ibUsbDotNet的開(kāi)源USB上位機驅動(dòng)庫文件。此驅動(dòng)庫文件還提供了供。NET平臺調用的USB接口函數。使用時(shí)需包含相應的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。

上位機軟件主要包括顯示設備連接狀態(tài)、寫(xiě)入電壓值及讀取當前電壓值等功能。上位機軟件流程圖如圖6所示。

圖6：上位機軟件流程

只有在總線(xiàn)請求為用戶(hù)自定義類(lèi)型(Vendor)時(shí)單片機才會(huì )調用usbFunctionSetup(uchar data[8])這個(gè)函數，所以傳輸數據是通過(guò)發(fā)送用戶(hù)自定義類(lèi)型的Setup數據包來(lái)實(shí)現的。讀數據時(shí)設置此數據包為IN,同時(shí)寫(xiě)入需要讀取的字節數。寫(xiě)入數據時(shí)設置數據包為OUT,4字節的有效數據則包含在所建立的8字節Setup數據包的data[2]~data[4]之中。

3 實(shí)驗驗證與分析

本數控直流穩壓電源在使用之前需進(jìn)行校零。在初始狀態(tài)下，調節集成運放μA741的外接調零電阻使集成運放輸出為0,調節射極輸出器偏置電阻R13使輸出電壓為0。

在輸出最大的情況下，調節輸出集成運放的比例放大電阻R14,使得輸出電壓為12V。

校零之后將上位機設置電壓值與實(shí)際輸出電壓進(jìn)行對比實(shí)驗，實(shí)驗數據如表1所示。

表1：電壓輸出對比實(shí)驗結果

所設計電壓源實(shí)際輸出值與設定值偏差較小，能夠滿(mǎn)足0~12V連續可調輸出，步進(jìn)值為0.1V的使用要求。

4 結論

設計了一種以單片機為主，基于VUSB技術(shù)進(jìn)行數據傳輸控制的數控直流穩壓電源。輸出電壓值由單片機控制，步進(jìn)調節方便，輸出穩定。既可以作為單獨的電源使用，也可以嵌入到其他需要步進(jìn)電壓模塊的測試系統之中。