基于VUSB技术的数控直流稳压电源的设计

发表于 2013-12-22 21:36

0 引言

数控直流稳压电源是电子技术中常用的设备之一，目前所使用的大多是通过旋钮开关调节电压值，调节精度不高，而且经常出现跳变，使用起来极不方便。本数控直流稳压电源通过上位机设置输入到DAC的数字量，输出步进可调的电压。上位机与下位机通过软件模拟的USB进行通信。传统的单片机与计算机进行USB通信，需要使用专用的接口芯片进行USB 协议转换，如CP2101、FT232、CH342、PDIUSBD12、SL811等。像CP2101、FT232这样的芯片使用起来虽然简单，但是功能比较单一;而PDIUSBD12、SL811功能较强，但是使用复杂。并且这些专用芯片的价格都相对较高，增加了系统的成本。而VUSB简单易用，成本低廉，只需要一个普通的低成本AVR单片机以及很少的几个外部元件，就可以组成一个USB系统。

1 系统硬件设计

系统组成框架如图1所示，主要由8路串行输入DACMAX522、稳压输出电路、VUSB接口电路、信号调理电路、单片机Atmega8及其他外围元件组成，可以输出0~12V的电压，步进精度为0.1V,电流可达2A.同时可以通过上位机设置输出的电压值。

图1 数控直流稳压源组成

发表于 2013-12-22 21:37

1.1 模数转换

D/A 转换主要是利用MAX522 芯片来实现的。

MAX522芯片内有2路8位电压缓冲输出D/A 转换器(DAC A和DAC B)，8脚节省封装和DIP封装，DAC A端缓冲器工作电流可达5mA,DAC B端缓冲器工作电流可达500μA,MAX522工作在单向电压+2.7V~+5.5V.

MAX522具有3线串行接口，可直接与SPITM、QSPITM,MicrowireTM 兼容。它有一个16位输入移位寄存器，包含8位DAC输入数据和8位DAC选择和关断控制。在/CS的正边沿数据能够存入到DAC寄存器。

模数转换模块电路如图2所示。单片机的PB0端口接串行数据输入口DIN、PB1接片选信号、PB2端口接时钟信号SCLK.选择DAC A作为输出，输出和参考电压输入端分别接上一个0.1μF的电容，提高电路输出稳定性。芯片的VDD与参考电压端均由5.12V稳压电路提供。

图2 模数转换及稳压电路

发表于 2013-12-22 21:38

LM336集成电路是精密的5V稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2Ω的5V齐纳二极管，其中微调端(G)可以使基准电压和温度系数得到微调。通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V.所以MAX522输出电压的分辨率为5.12/256=0.02V,也就是说MAX522数字输入量每增加1,电压就增加0.02V.由于电源输出电压范围为0~12V,步进精度为0.1V,则最大输入数据为120(二进制值为11110000)，此时MAX522输出值为2.4V.即MAX522的输出电压在0~2.4V变化。

1.2 电压电流放大

由于MAX522输出的电压范围为0~2.4V,而要求的电压输出范围为0~12V,所以需要将MAX522输出放大5倍。同时，为了提高电源的驱动能力，在放大电路后面加入了一个射极输出器。

电压电流放大电路如图3所示。主要包括2个μA741高增益运算放大器组成的放大部分及三极管ZTX453组成的射极输出部分。第一级μA741AN 为负反馈缓冲电路，用以减小输出电阻并使放大频率频宽增大。第二级μA741ANA构成电压正向比例放大电路。放大后的电压信号接入射极输出器ZTX453,放大输出信号的电流。注意，此部分电路发热量比较大，需要再扩接散热片进行散热。

图3 电压电流放大电路。

发表于 2013-12-22 21:38

1.3 VUSB接口

VUSB是用普通的通用AVR单片机，配以较高频率的晶振(12MHz或16MHz)，模拟产生USB所需信号，从而模拟出标准的USB HID设备(鼠标、键盘、简单通信)的解决方案，构成一个低成本的USB设备。USB共有4根线，2根5V电源，两根差分信号线D+、D-.由于是低速设备，D-必须要有1.5kΩ的上拉电阻。

VUSB接口电路如图4所示，单片机的PD1和PD2通过68Ω的限流电阻分别接入标准USB接口的D-、D+.

需要注意的是D+必须接上单片机的外部中断0管脚，在此为了简化连接直接将PD2(INT0)接入作为其中的一根信号线使用。由于USB信号线的电压最大为3.6V,所以在D-和D+上分别并接了一个3.6V的稳压二极管。

图4 VUSB接口电路。

发表于 2013-12-22 21:38

2 系统软件设计

软件设计包括下位机和上位机2部分。下位机主要负责接收上位机的设置电压值，并经过转换后输入到MAX522,从而输出设置电压。上位机则通过VUSB与下位机连接，并通过模拟的USB协议向下位机写入数据。

2.1 下位机软件

下位机软件流程图如图5所示。其中设备初始化包括单片机端口初始化、DAC初始化及VUSB端口初始化。在初始化之后，程序进入主循环，在其中加入了USB轮询函数usbPoll()，用来侦测USB事件。一旦侦测到上位机有USB通信请求时，usbdrv就会调用usbFunctionSetup()函数来处理请求。在此请求函数中接收上位机传来的数据并将此数据转换后写入MAX522数据端口，启动DAC输出电压。

图5 下位机软件流程。

发表于 2013-12-22 21:39

设计中需注意以下几点：

1)单片机方面的VUSB 底层驱动函数使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB为C语言编写并有详细的注释。开发平台为WinAVR.GCC项目文件夹中需包含驱动文件(usbdrv文件夹)，并对usbconfig.h中的部分宏定义做一些修改。

#define USB_CFG_IOPORTNAME D//这个接口连接USB总线。当配置为"D"时，寄存器PORTD,PIND and DDRD将有效。

#define USB_CFG_DMINUS_BIT 1//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中连接USB D-的线。可以配置为接口的任何位。

#define USB_CFG_DPLUS_BIT 2//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中连接USB D+的线。也可以连接到任意口，但是注意D+一定要连接都中断口INT0

2)单片机在接收到读取数据命令时会自动调用usbFunctionSetup(uchar data[8])，在函数内把全局指针*usbMsgPtr指向所要发送的数据首地址，然后返回(函数返回值)所发送数据的长度就可以了。由于采用的是命令包方式传输数据，每次只能接收4个字节的有效数据，存储在data[2]~data[4]中。

3)初始化时需要将MAX522的输出置为关闭状态。

写入MAX522时首先写入8位控制字，然后写入8位DAC数据。

2.2 上位机软件

上位机用C# 语言进行编写，驱动采用一款名为LibUsbDotNet的开源USB上位机驱动库文件。此驱动库文件还提供了供。NET平台调用的USB接口函数。使用时需包含相应的动态链接库文件。

上位机软件主要包括显示设备连接状态、写入电压值及读取当前电压值等功能。上位机软件流程图如图6所示。

图6 上位机软件流程。

发表于 2013-12-22 21:39

只有在总线请求为用户自定义类型(Vendor)时单片机才会调用usbFunctionSetup(uchar data[8])这个函数，所以传输数据是通过发送用户自定义类型的Setup数据包来实现的。读数据时设置此数据包为IN,同时写入需要读取的字节数。写入数据时设置数据包为OUT,4字节的有效数据则包含在所建立的8字节Setup数据包的data[2]~data[4]之中。

3 实验验证与分析

本数控直流稳压电源在使用之前需进行校零。在初始状态下，调节集成运放μA741的外接调零电阻使集成运放输出为0,调节射极输出器偏置电阻R13使输出电压为0.

在输出最大的情况下，调节输出集成运放的比例放大电阻R14,使得输出电压为12V.

校零之后将上位机设置电压值与实际输出电压进行对比实验，实验数据如表1所示。

表1 电压输出对比实验结果

所设计电压源实际输出值与设定值偏差较小，能够满足0~12V连续可调输出，步进值为0.1V的使用要求。

发表于 2013-12-22 21:40

4 结论

设计了一种以单片机为主，基于VUSB技术进行数据传输控制的数控直流稳压电源。输出电压值由单片机控制，步进调节方便，输出稳定。既可以作为单独的电源使用，也可以嵌入到其他需要步进电压模块的测试系统之中。

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