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
，但是使用複雜。並且這些專用芯片的價格都相對較高
，增加了係統的成本。而VUSB簡單易用，成本低廉，隻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係統。

1 係統硬件設計

係統組成框架如圖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位電壓緩衝輸出D/A 轉換器(DAC A和DAC B)，8腳節省封裝和DIP封裝，DAC A端緩衝器工作電流可達5mA,DAC B端緩衝器工作電流可達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選擇和關斷控製。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端口接時鍾信號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，其工作相當於一個低溫度係數的
、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係數得到微調。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.由於電源輸出電壓範圍為0~12V,步進精度為0.1V,則最大輸入數據為120(二進製值為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

由於MAX522輸出的電壓範圍為0~2.4V,而要求的電壓輸出範圍為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，在放大電路後麵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 為負反饋緩衝電路，用以減小輸出電阻並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。放大後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-.由於是低速設備
，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。由於USB信號線的電壓最大為3.6V,所以在D-和D+上分別並接了一個3.6V的穩壓二極管。

圖4 ：VUSB接口電路

[member]
[page]
2 係統軟件設計

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，並經過轉換後輸入到MAX522,從而輸出設置電壓。上位機則通過VUSB與下位機連接
，並通過模擬的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。在初始化之後，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並將此數據轉換後寫入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)單片機方麵的VUSB 底層驅動函數使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB為C語言編寫並有詳細的注釋。開發平台為WinAVR.GCC項目文件夾中需包含驅動文件(usbdrv文件夾)，並對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，然後返回(函數返回值)所發送數據的長度就可以了。由於采用的是命令包方式傳輸數據
，每次隻能接收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位控製字，然後寫入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平台調用的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

隻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。

校零之後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，基於VUSB技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)控(kong)製(zhi)的(de)數(shu)控(kong)直(zhi)流(liu)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)。輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)值(zhi)由(you)單(dan)片(pian)機(ji)控(kong)製(zhi)，步(bu)進(jin)調(tiao)節(jie)方(fang)便(bian)，輸(shu)出(chu)穩(wen)定(ding)。既(ji)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)單(dan)獨(du)的(de)電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)，也(ye)可(ke)以(yi)嵌(qian)入(ru)到(dao)其(qi)他(ta)需(xu)要(yao)步(bu)進(jin)電(dian)壓(ya)模(mo)塊(kuai)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)之(zhi)中(zhong)。