看AVR軟USB接口如何解決傳統RS232接口數據采集的諸多問題

1.引言

在電力生產和電氣測試工作中經常需要用便攜式PC機通過接口采集和處理數據。

常用的帶RS232串口的數據采集器，不允許帶電（熱）拔插，使用很不方便。而且現在大部分的PC機不帶RS232接口，尤其是便攜式機。取而代之的是USB接口。目前AVR單片機USB軟接口技術應用的很普遍，最旱是ATMEL公司在《AVR309 Software UniversalSerial Bus》一文中，詳細介紹了使用AVR單片機的普通IO口來實現USB接口功能；同時介紹了ATmega8程序（固件）的編程方法，并提供全部匯編程序源代碼。在源碼的基礎上，筆者通過參閱和分析不同作者各種版本的USB軟接口固件（原程序）進行優化組合，更改和刪除一部份程序后，性能有很大的提高。CPU占用率比源碼程序低得多。AVR單片機ATmega8具備AVR高檔單片機性能和特點，而價格僅與低檔單片機相當。其內置多路A/D轉換器滿足模擬數據采集需要。

2.ATmega8單片機

ATmega8是ATMEL公司AVR系列單片機，采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位單片機，大多數指令執行時間為單個周期。內有10位精度的逐次逼近型ADC.

ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口C的8路單端輸入電壓進行采樣。

單端電壓輸入以0V（GND）為基準。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過±0.3V.器件之內有標稱值為2.56V和AVCC基準電壓?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。

AVR單片機的系統內可編程特性，無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機嵌入式系統的設計和開發；同時也為單片機的初學者提供了非常方便和簡捷的學習開發環境。而且在省電性能、穩定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善。

ATmega8單片機與其它單片機比較而言，簡便易用、費用低，相對進入AVR系列單片機開發的門檻也低，軟件資源豐富，程序容易開發。由于Atmega8單片機是常用芯片，本文對其特性、內部結構、引腳說明等不做介紹。

3.硬件電路

基于ATmega8的USB軟接口數據采集硬件電路非常簡單。以ATmega8單片機為核心，加上少量的外部元件構成（如圖1所示）。

圖1中USB數據線D-上的上拉電阻R3用于主機識別低速USB設備（USB規范中定義）。

12MHz晶體和兩個20p的電容組成單片機運行所必須的時鐘（USB一個數據位有8個時鐘周期）。

D+連接到PD2，同時也是INT0引腳。D-連接到PD3.電阻R1、R2起到限流和保護作用，防止在意外情況下損壞計算機的USB端口或單片機的端口。單片機所需的電源Vcc由USB口輸出5V電源直接供電。因為在USB規范中規定數據線D+和D-上的電平范圍是3.0V至3.6V，D1和D2是3.6V穩壓二極管，用于限制數據線上的電平。圖中LED1和R4為電源指示電路。LEDa1-LEDa6、Ra1-Ra6為A/D轉換通道指示電路。L1、C3、C4按ATmega8產品說明手冊A/D轉換精度要求設置。Ri1-Ri6、Ci1-Ci6為模擬信號采樣輸入設置，其電路和參數根據不同輸入要求而改變。圖中J2是模擬信號采樣輸入端，可接入單端0-2.56V、0-5V輸入模擬信號。測量交流電參數需要對交流電信號處理后輸入；如要測量差動模擬信號需要改變輸入采樣電路。并將單片機ATmega8改用ATmega16，ATmega16的A/D轉換可單端輸入也可差分輸入；還有2路可選增益為10倍與200倍的差分輸入通道；就是多了幾個引腳，電路圖有所變化；單片機軟件可兼容和移植，并增加幾條有關A/D轉換差動輸入和數據處理的指令。如需要請參閱ATmega16產品說明手冊（ATMEL公司網站可下載）。

4.ATmega8單片機程序（固件）

本程序基于單片機ATmega8以純軟件完成USB協議接收、發送和解碼，以實現USB接口數據通信功能；通過指令操作單片機內置A/D轉換實現模擬量數據采集功能。USB協議定義低速USB設備通信速率是1.5M位/秒。

如單片機使用1 2 M H z的時鐘頻率，主頻是1.5MHz的8倍。也就是說，單片機每8個周期就要精確完成一個（對普通IO端口）數據位的采集或發送。

這種情況對單片機的時序要求嚴格，為此單片機的軟件核心部分代碼必須由匯編語言編寫。ATmega8芯片是ATMEL（愛特梅爾）公司的AVR系列單片機。ATMEL公司網站提供AVRStudio集成環境（IDE）開發軟件免費下載。

安裝后直接支持匯編語言。本固件程序以此開發軟件匯編編譯并燒寫（燒寫用USB-isp下載線）。

程序以模塊化結構編寫，為了各模塊相互運行協調和高效，USB接口做如下設置約定。

狀態代碼=1：表示收到控制端口SETUP令牌包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態代碼=2：表示收到控制端口IN包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態代碼=3：表示收到控制端口OUT包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態代碼=5：表示收到數據端口OUT包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態代碼=6：表示收更改地址（主循環內設置）

操作標志=2：表示收到控制端口SETUP包數據（中斷內收到數據包后設置）

操作標志=3：表示發送完控制端口IN數據包（中斷內發送完IN數據包后設置）

操作標志=4：表示準備好控制端口IN數據包（主循環內設置）

端口號=0：控制端口

端口號=1：數據IN端口

端口號=2：數據OUT端口

端口號=3：串口狀態IN端口（USB虛擬RS232接口，CDC類規范要求）

5.結論

程序從系統復位開始初始化系統（設置堆棧地址、存儲器及寄存器初始化、A/D轉換器初始化）和設置軟USB接口初始值后，進入主程序不斷檢測USB復位信號（兩條數據線保持10-20ms低電平）。如果出現復位 時當多個物品共用一個總發射器，一旦總發射器不能立刻找到，想找回所需物品也將變得困難，因此可以在一個或幾個物品上也安裝上小發射器，在總發射器上附加報警器，這樣就可以利用物品上的發射器感應并找回總發射器，然后再利用總發射器找回所需物品。此外，它的應用范圍較廣，如博物館、銀行等，市場需求量會比較大，是現代社會的必備品之一， 因此具有較高的推廣價值和較好的應用前景。