基于VUSB技術(shù)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

0 引 言

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)中常用的設(shè)備之一，目前所使用的大多是通過(guò)旋鈕開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電壓值，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常出現(xiàn)跳變，使用起來(lái)極不方便。本數(shù)控直流穩(wěn)壓電源通過(guò)上位機(jī)設(shè)置輸入到DAC的數(shù)字量，輸出步進(jìn)可調(diào)的電壓。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)軟件模擬的USB進(jìn)行通信。傳統(tǒng)的單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行USB通信，需要使用專用的接口芯片進(jìn)行USB 協(xié)議轉(zhuǎn)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(qiáng)，但是使用復(fù)雜。并且這些專用芯片的價(jià)格都相對(duì)較高，增加了系統(tǒng)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(jī)以及很少的幾個(gè)外部元件，就可以組成一個(gè)USB系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成框架如圖1所示，主要由8路串行輸入DACMAX522、穩(wěn)壓輸出電路、VUSB接口電路、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)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(dá)2A.同時(shí)可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置輸出的電壓值。

圖1 數(shù)控直流穩(wěn)壓源組成

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換

D/A 轉(zhuǎn)換主要是利用MAX522 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

MAX522芯片內(nèi)有2路8位電壓緩沖輸出D/A 轉(zhuǎn)換器(DAC A和DAC B)，8腳節(jié)省封裝和DIP封裝，DAC A端緩沖器工作電流可達(dá)5mA,DAC B端緩沖器工作電流可達(dá)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(gè)16位輸入移位寄存器，包含8位DAC輸入數(shù)據(jù)和8位DAC選擇和關(guān)斷控制。在/CS的正邊沿?cái)?shù)據(jù)能夠存入到DAC寄存器。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路如圖2所示。單片機(jī)的PB0端口接串行數(shù)據(jù)輸入口DIN、PB1接片選信號(hào)、PB2端口接時(shí)鐘信號(hào)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(wěn)定性。芯片的VDD與參考電壓端均由5.12V穩(wěn)壓電路提供。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路

LM336集成電路是精密的5V穩(wěn)壓器，其工作相當(dāng)于一個(gè)低溫度系數(shù)的、動(dòng)態(tài)電阻為0.2Ω的5V齊納二極管，其中微調(diào)端(G)可以使基準(zhǔn)電壓和溫度系數(shù)得到微調(diào)。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)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(shù)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(shù)據(jù)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(qū)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(yùn)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(jí)μA741AN 為負(fù)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(jí)μA741ANA構(gòu)成電壓正向比例放大電路。放大后的電壓信號(hào)接入射極輸出器ZTX453,放大輸出信號(hào)的電流。注意，此部分電路發(fā)熱量比較大，需要再擴(kuò)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(jī)，配以較高頻率的晶振(12MHz或16MHz)，模擬產(chǎn)生USB所需信號(hào)，從而模擬出標(biāo)準(zhǔn)的USB HID設(shè)備(鼠標(biāo)、鍵盤、簡(jiǎn)單通信)的解決方案，構(gòu)成一個(gè)低成本的USB設(shè)備。USB共有4根線，2根5V電源，兩根差分信號(hào)線D+、D-.由于是低速設(shè)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(jī)的PD1和PD2通過(guò)68Ω的限流電阻分別接入標(biāo)準(zhǔn)USB接口的D-、D+.

需要注意的是D+必須接上單片機(jī)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(hào)線使用。由于USB信號(hào)線的電壓最大為3.6V,所以在D-和D+上分別并接了一個(gè)3.6V的穩(wěn)壓二極管。

圖4 VUSB接口電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)和上位機(jī)2部分。下位機(jī)主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的設(shè)置電壓值，并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后輸入到MAX522,從而輸出設(shè)置電壓。上位機(jī)則通過(guò)VUSB與下位機(jī)連接，并通過(guò)模擬的USB協(xié)議向下位機(jī)寫入數(shù)據(jù)。

2.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件流程圖如圖5所示。其中設(shè)備初始化包括單片機(jī)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輪詢函數(shù)usbPoll()，用來(lái)偵測(cè)USB事件。一旦偵測(cè)到上位機(jī)有USB通信請(qǐng)求時(shí)，usbdrv就會(huì)調(diào)用usbFunctionSetup()函數(shù)來(lái)處理請(qǐng)求。在此請(qǐng)求函數(shù)中接收上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)并將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后寫入MAX522數(shù)據(jù)端口，啟動(dòng)DAC輸出電壓。

圖5 下位機(jī)軟件流程。

設(shè)計(jì)中需注意以下幾點(diǎn)：

1)單片機(jī)方面的VUSB 底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB為C語(yǔ)言編寫并有詳細(xì)的注釋。開(kāi)發(fā)平臺(tái)為WinAVR.GCC項(xiàng)目文件夾中需包含驅(qū)動(dòng)文件(usbdrv文件夾)，并對(duì)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。當(dāng)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?？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。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(jī)在接收到讀取數(shù)據(jù)命令時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用usbFunctionSetup(uchar data[8])，在函數(shù)內(nèi)把全局指針*usbMsgPtr指向所要發(fā)送的數(shù)據(jù)首地址，然后返回(函數(shù)返回值)所發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度就可以了。由于采用的是命令包方式傳輸數(shù)據(jù)，每次只能接收4個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)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)。

寫入MAX522時(shí)首先寫入8位控制字，然后寫入8位DAC數(shù)據(jù)。

2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)用C# 語(yǔ)言進(jìn)行編寫，驅(qū)動(dòng)采用一款名為L(zhǎng)ibUsbDotNet的開(kāi)源USB上位機(jī)驅(qū)動(dòng)庫(kù)文件。此驅(qū)動(dòng)庫(kù)文件還提供了供。NET平臺(tái)調(diào)用的USB接口函數(shù)。使用時(shí)需包含相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。

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

圖6 上位機(jī)軟件流程。

只有在總線請(qǐng)求為用戶自定義類型(Vendor)時(shí)單片機(jī)才會(huì)調(diào)用usbFunctionSetup(uchar data[8])這個(gè)函數(shù)，所以傳輸數(shù)據(jù)是通過(guò)發(fā)送用戶自定義類型的Setup數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)的。讀數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置此數(shù)據(jù)包為IN,同時(shí)寫入需要讀取的字節(jié)數(shù)。寫入數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)包為OUT,4字節(jié)的有效數(shù)據(jù)則包含在所建立的8字節(jié)Setup數(shù)據(jù)包的data[2]~data[4]之中。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本數(shù)控直流穩(wěn)壓電源在使用之前需進(jìn)行校零。在初始狀態(tài)下，調(diào)節(jié)集成運(yùn)放μA741的外接調(diào)零電阻使集成運(yùn)放輸出為0,調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)輸出集成運(yùn)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(jī)設(shè)置電壓值與實(shí)際輸出電壓進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電壓輸出對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所設(shè)計(jì)電壓源實(shí)際輸出值與設(shè)定值偏差較小，能夠滿足0~12V連續(xù)可調(diào)輸出，步進(jìn)值為0.1V的使用要求。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為主，基于VUSB技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。輸出電壓值由單片機(jī)控制，步進(jìn)調(diào)節(jié)方便，輸出穩(wěn)定。既可以作為單獨(dú)的電源使用，也可以嵌入到其他需要步進(jìn)電壓模塊的測(cè)試系統(tǒng)之中。