基于USB的多路幅值可调电压输出设计

摘要：手动调节多路电压输出很难实现，费时、费力，不仅操作麻烦、效率低而且精度也很低。提出了一种电压输出方法，单片机连接三片具有四路电压转换的DAC8420，通过USB与电脑通信。用VC++设计电脑用户界面，电脑控制下位机可输出多达12路可调的电压信号，输出信号精度高，操作简单。

关键词：USB；电压；多路；可调

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）34-7904-04

一定范围内可调的电压输出在很多场合有重要的应用，例如电子器件维修检测等。手动调节电源电压输出的方法很麻烦，精确度低，而且只能输出少数的几路电压，显然不能满足快速、精确和多路电压输出的要求，为此，设计了本方案，以单片机作为下位机控制D/A转换器实现电压的转换输出，单片机通过USB接口与上位机电脑通信，接收上位机的命令，实现快速、精确、多路的电压输出，而且实现了任意一路电压可调。

1 硬件电路设计

硬件电路主要包括单片机最小系统、电源模块、USB接口电路、D/A转换电路。考虑到应用的实际需求和开发的成本，单片机采用STC89S52，可以在线编程，开发十分方便，晶振频率为12MHz。

1.1 电源设计

本系统中需要用到的电源有5V、正负10V和正负15V，交流电通过变压器降压在经过整流以后，接到稳压模块上，输出各种需要的电压。7805输出5V电压，7810和7910输出正负10V电压，7815和7915输出正负15V电压。

1.2 USB接口芯片

近年来，随着计算机技术的快速发展，特别是USB技术的发展，使用USB移动存储设备变得非常普遍，因此很多USB移动存储设备接口的芯片推出，例如南京沁恒公司的CH375就是其中之一，在一些需要转存数据的设备、仪器上被应用了。该文采用CH375做USB接口通信芯片。CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式，是一个USB总线的通用接口芯片，与单片机/DSP/MCU等控制器的连接非常方便。图2是CH375与单片机的连接示意图：

1.3 D/A转换电路

D/A转换芯片选用DAC8420，具有4个通道，各DAC的地址均由一个16位串行字单独确定，它由一个12位数据字和一个地址表头组成。初始化电压值可通过可编程复位控制CLR，使四个DAC输出零电平或中间电平。参考电压范围是正负10V，能实现电源电压范围内的正/负单极性或双极性信号摆幅，用户通过设置输入VREFHI和VREFLO而确定输出电压范围，从而提供极大的设计灵活性。具有12位电压输出，三线式串行数字输入与以10 MHz速率工作的微处理器便可轻松实现接口，只需极少的附加电路即可。该文DAC8420的电源电压接正负15V，参考电压接正负10V，可实现-10V～+10V范围内的电压可调。为提高输出的负载能力，可以将输出电压接到运放上，接成电压跟随器模式。

2 程序设计

2.1 上位机设计

上位机的软件界面用VC++6.0开发，利用CH375动态链接库提供的函数，编程实现数据的下传。12路电压数据存放在文本文件中，单击“通道数据下传”，即可将12路电压数据下传给单片机。也可以对其中的任意一路进行修改下传。界面如图3所示：

2.2 下位机设计

下位机的程序主要有两个方面的内容，USB接口程序和D/A转换程序。电脑的下传数据通过USB接口传输给CH375芯片，CH375会输出一个低电平信号通知单片机，使单片机产生外部中断，进入中断以后处理所收到的数据，进而按要求启动D/A转换，输出电压信号。单片机先初始化USB接口芯片CH375，再开放外部中断以等待电脑数据下传。USB初始化如下：

void USB_Init（ void ） {

UINT8 i；

#ifdef TEST_USB_FIRST

/* 测试USB与单片机的物理连接是否正常以及是否正常工作，可选操作，通常不需要 */

UINT8 j；

USB_WR_CMD_PORT（ CMD_CHECK_EXIST ）； /* 测试USB是否正常工作 */

USB_WR_DAT_PORT（ 0x55 ）； /* 写入测试数据，任意数据 */

i = ～ 0x55； /* 返回数据应该是测试数据取反 */

if （ USB_RD_DAT_PORT（ ） ！= i ） { /* USB不正常 */

for （ i=80； i！=0； i— ） {

USB_WR_CMD_PORT（ CMD_RESET_ALL ）； /* 多次重复发命令，执行硬件复位 */

USB_RD_DAT_PORT（ ）；

}

USB_WR_CMD_PORT（ 0 ）；

for （ i=250； i！=0； i— ） for（ j=100； j！=0； j— ） Delay2us（ ）； /* 延时50mS */

}

#endif

三个DAC8420芯片相应的数据传输引脚接于相同的单片机引脚，片选端分别连于单片机不同的引脚。函数DAC8420（high，low，channel）是D/A转换函数，high和low参数分别是输出到DAC8420芯片的16位串行数字量的高、低8位，其中最高的2位的四种排列分别对应于DAC8420的四个输出电路，参数channel用于选择三个DAC8420芯片的片选，程序如下：

sbit DAC8420_LD = P2^5；

sbit DAC8420_CS0 = P2^2；

sbit DAC8420_CS1 = P1^7；

sbit DAC8420_CS2 = P1^6；

sbit DAC8420_SDI = P2^7；

sbit DAC8420_CLK = P2^6；

sbit DAC8420_CLR = P2^4；

sbit DAC8420_CLSEL = P2^3；

void DAC8420（unsigned char high，unsigned char low，unsigned char channel）

{

unsigned char i=0 ，m=0x80；

if（channel==0）

{ DAC8420_CS0=0；

DAC8420_CS1=1；

DAC8420_CS2=1； }

else if（channel==1）

{ DAC8420_CS0=1；

DAC8420_CS1=0；

DAC8420_CS2=1； }

else if（channel==2）

{ DAC8420_CS0=1；

DAC8420_CS1=1；

DAC8420_CS2=0； }

DAC8420_LD=1；

for（i=0；i

{ if（m&high）

DAC8420_SDI=1；

else

DAC8420_SDI=0；

DAC8420_CLK=0；

DAC8420_CLK=1；

m=（m>>1）； }

m=0x80；

for（i=0；i

{ if（m&low）

DAC8420_SDI=1；

else

DAC8420_SDI=0；

DAC8420_CLK=0；

DAC8420_CLK=1；

m=（m>>1）； }

DAC8420_LD=0； //将数据移入DAC寄存器

DAC8420_LD=1； //寄存器DAC数据保持

DAC8420_CS1=1；

}

3 结束语

本文设计了一种基于USB通信的多路可调电压输出系统，电脑控制下位机，可以同时输出12路-10V～+10V之间的电压，而且任意一路电压均可通过上位机调整，电压精度可达到0.2mV，大大提高了效率和精度，而且操作十分方便。

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