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旋鈕開關(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，使用起來極不方便。本數(shù)控直流穩(wěn)壓電源通過上位機(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雖然簡單，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)格都相對較高，增加了系統(tǒng)的成本。而VUSB簡單易用，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、PB2端口接時(shí)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(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μA741ANA構(gòu)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(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，從而模擬出標(biāo)準(zhǔn)的USB HID設(shè)備(鼠標(biāo)、鍵盤、簡單通信)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(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)過轉(zhuǎn)換后輸入到MAX522,從而輸出設(shè)置電壓。上位機(jī)則通過VUSB與下位機(jī)連接，并通過模擬的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()，用來偵測USB事件。一旦偵測到上位機(jī)有USB通信請求時(shí)，usbdrv就會調(diào)用usbFunctionSetup()函數(shù)來處理請求。在此請求函數(shù)中接收上位機(jī)傳來的數(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)動函數(shù)使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB為C語言編寫并有詳細(xì)的注釋。開發(fā)平臺為WinAVR.GCC項(xiàng)目文件夾中需包含驅(qū)動文件(usbdrv文件夾)，并對usbconfig.h中的部分宏定義做一些修改。