1、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A741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

2、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

3、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012V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。       &#

4、160;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500A,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,Micro

5、wireTM 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0.1F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  &

6、#160; 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0.2的5V齊納二極管    1.2 電壓電流放大    由于MAX522輸出的電壓范圍為02.4V,而要求的電壓輸出范圍為012V,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A741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A741AN

7、 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A741ANA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

8、（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1.5k的上拉電阻。    VUSB接口電路如圖4所示，單片機的PD1和PD2通過68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。 

9、0;      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、D

10、AC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

11、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

12、 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 data8），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d

13、ata2data4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

14、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 data8）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data2

15、data4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A741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