VUSB技術在數控直流穩壓電源中的應用

　　本文介紹了一種調節精度高，操作簡便的數控直流穩壓電源。采用AVR系列單片機Atmega8作為主控單元，通過不同的數字量輸入設置D/A轉換芯片MAX522的輸出電壓。DAC輸出電壓則經過μA741組成的兩級運放電路及射極輸出器ZTX453進行電壓電流放大。其中DAC輸入的5.12V參考電壓是由LM366集成穩壓器產生的。上位機通過基于AVR單片機特有的VUSB技術與下位機進行通訊，同時介紹了Windows平臺下USB設備驅動程序的實現。此電壓源實現了電壓值讀取與設置的可見與可控性，可作為部分測試設備的嵌入式電源模塊使用。

　　數控直流穩壓電源是電子技術中常用的設備之一，目前所使用的大多是通過旋鈕開關調節電壓值，調節精度不高，而且經常出現跳變，使用起來極不方便。本數控直流穩壓電源通過上位機設置輸入到DAC的數字量，輸出步進可調的電壓。上位機與下位機通過軟件模擬的USB進行通信。傳統的單片機與計算機進行USB通信，需要使用專用的接口芯片進行USB 協議轉換，如CP2101、FT232、CH342、PDIUSBD12、SL811等。像CP2101、FT232這樣的芯片使用起來雖然簡單，但是功能比較單一;而PDIUSBD12、SL811功能較強，但是使用復雜。并且這些專用芯片的價格都相對較高，增加了系統的成本。而VUSB簡單易用，成本低廉，只需要一個普通的低成本AVR單片機以及很少的幾個外部元件，就可以組成一個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，步進精度為0.1V,電流可達2A.同時可以通過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 芯片來實現的。

　　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線串行接口，可直接與SPITM、QSPITM,MicrowireTM 兼容。它有一個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，其工作相當于一個低溫度系數的、動態電阻為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,步進精度為0.1V,則最大輸入數據為120(二進制值為11110000)，此時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，為了提高電源的驅動能力，在放大電路后面加入了一個射極輸出器。

　　電壓電流放大電路如圖3所示。主要包括2個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，此部分電路發熱量比較大，需要再擴接散熱片進行散熱。

　　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)，模擬產生USB所需信號，從而模擬出標準的USB HID設備(鼠標、鍵盤、簡單通信)的解決方案，構成一個低成本的USB設備。USB共有4根線，2根5V電源，兩根差分信號線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，在此為了簡化連接直接將PD2(INT0)接入作為其中的一根信號線使用。由于USB信號線的電壓最大為3.6V,所以在D-和D+上分別并接了一個3.6V的穩壓二極管。

　　圖4 VUSB接口電路。

　　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，并經過轉換后輸入到MAX522,從而輸出設置電壓。上位機則通過VUSB與下位機連接，并通過模擬的USB協議向下位機寫入數據。

　　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，程序進入主循環，在其中加入了USB輪詢函數usbPoll()，用來偵測USB事件。一旦偵測到上位機有USB通信請求時，usbdrv就會調用usbFunctionSetup()函數來處理請求。在此請求函數中接收上位機傳來的數據并將此數據轉換后寫入MAX522數據端口，啟動DAC輸出電壓。

　　圖5 下位機軟件流程。

　　設計中需注意以下幾點：

　　1)單片機方面的VUSB 底層驅動函數使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB為C語言編寫并有詳細的注釋。開發平臺為WinAVR.GCC項目文件夾中需包含驅動文件(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//這個接口連接USB總線。當配置為"D"時，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。可以配置為接口的任何位。

　　#define USB_CFG_DPLUS_BIT 2//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中連接USB D+的線。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會自動調用usbFunctionSetup(uchar data[8])，在函數內把全局指針*usbMsgPtr指向所要發送的數據首地址，然后返回(函數返回值)所發送數據的長度就可以了。由于采用的是命令包方式傳輸數據，每次只能接收4個字節的有效數據，存儲在data[2]~data[4]中。

　　3)初始化時需要將MAX522的輸出置為關閉狀態。

　　寫入MAX522時首先寫入8位控制字，然后寫入8位DAC數據。

　　2.2 上位機軟件

　　上位機用C# 語言進行編寫，驅動采用一款名為LibUsbDotNet的開源USB上位機驅動庫文件。此驅動庫文件還提供了供。NET平臺調用的USB接口函數。使用時需包含相應的動態鏈接庫文件。

　　上位機軟件主要包括顯示設備連接狀態、寫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。

　　只有在總線請求為用戶自定義類型(Vendor)時單片機才會調用usbFunctionSetup(uchar data[8])這個函數，所以傳輸數據是通過發送用戶自定義類型的Setup數據包來實現的。讀數據時設置此數據包為IN,同時寫入需要讀取的字節數。寫入數據時設置數據包為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 實驗驗證與分析

　　本數控直流穩壓電源在使用之前需進行校零。在初始狀態下，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際輸出電壓進行對比實驗，實驗數據如表1所示。

　　表1 電壓輸出對比實驗結果

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

　　4 結 論

　　設計了一種以單片機為主，基于VUSB技術進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電壓模塊的測試系統之中。