Устройство компьютерного управления
различными приборами, схема которого показана на рис. 1, функцио­нально подобно
описанному в , но подключается к USB-порту компьюте­ра, который (в отличие
от СОМ-порта) сегодня есть в каждом из них. Единственная мик­росхема устройства
- распространенный мик­роконтроллер ATmega8. Он необходим для орга­низации
связи по шине USB. Хотя в нем и отсут­ствует специализирован­ный аппаратный
модуль, эта функция выполняется программно. Резистор R1, подклю­ченный между
положи­тельным выводом источ­ника питания и линией D-шины USB, переводит ее в низкоскоростной
режим LS со скоростью обмена 1,5 Мбит/с, что и позво­ляет расшифровывать по­сылки
компьютера про­граммным способом. Ре­зисторы R4 и R5 устра­няют переходные
процес­сы, возникающие при об­мене информацией, что увеличивает стабильность работы.
Конденсатор С1 блокирует импульсные по­мехи в цепи питания, что также улучшает
стабиль­ность работы устройства. Диоды VD1 и VD2 служат для понижения напряже­ния
питания микроконт­роллера приблизительно до 3,6 В - это требуется для
согласования уровней с шиной USB. Сигналы управления приборами формируются на
выходах РВ0-РВ5 и РС0, РС1 микроконтроллера. Высокий логический уровень -
напряжение око­ло 3,4 В. Напряжение низкого уровня близко к нулю. К выходам
можно под­ключать приборы, потребляющие ток не более 10 мА (от каждого выхода).
Если требуются большие значения тока или напряжения, то следует использовать узлы
согласования, показанные в на рис. 5 и 6.

Устройство собрано на макетной плате,
печатная не разрабатывалась. Применены резисторы МЛТ, конденса­торы С2 и С3 -
керамические высоко­частотные, С1 - К50-35 или аналогич­ный импортный. Диоды
кремниевые с падением напряжения на переходе около 0,7 В. Программа для микро­контроллера
разработана в среде Bascom-AVR версии 1.12.0.0. Для работы с шиной USB
использована библиотека swusb.LBX, которая выполняет программное декодирование сигналов
USB в режиме реаль­ного времени. Полученный в результате компиляции код программы
из файла с расши­рением HEX следует загрузить во FLASH-память микроконт­роллера.
Для этого был ис­пользован программатор совместно со встроенной в Bascom-AVR
утилитой. Состоя­ние разрядов конфигурации микроконтроллера должно со­ответствовать
показанному на рис. 2. При первом подключении устройства к компьютеру опе­рационная
система обнаружит новое USB HID совместимое устройство с именем
“uniUSB” и установит необходимые драйверы. Через несколько се­кунд
устройство настроено и готово к использованию.

Для работы с ним была создана программа
UniUSB. Она пред­ставлена в двух вариантах: для 32-разрядных (х86) и 64-раз­рядных
(х64) операционных систем семейства Windows. Работа 32-разрядной версии проверена
в операционных системах Windows 98, Windows ХР, Windows 7, а 64-разрядной -
только в Windows ХР х64. Программа UniUSB написана на языке PureBasic (версия
4.31) с исполь­зованием библиотеки пользовательс­ких функций HID_lib,
поддерживающей работу с USB HID устройствами. Внеш­ний вид окна программы
показан на рис. 3. В одной папке с ее исполняемым файлом должен находиться
файл, называющийся UniUSB_Код.txt или UniCOM_Код.txt. Последний вариант необходим
для совместимости с про­граммой UniCOM, предложенной в . В этом файле
хранится сценарий управ­ления внешними приборами. При запуске программы данные
из файла загружаются в таблицу, расположенную в главном окне, а при завершении
рабо­ты сохраняются в файле. Щелчок левой кнопкой мыши по ячейкам таблицы поз­воляет
изменять их состояние: 1 - высокий логический уровень, 0 или пусто - низкий
логический уровень. Для добавления или удаления столбца таблицы нужно по ней
щелкнуть правой кнопкой мыши и в появившемся меню выбрать требуемое действие.

При подключении устройства к USB-порту
программа обнаружит его и активирует кнопку, расположенную в верхней части
окна на панели инстру­ментов. Нажатием на эту кнопку запус­кают процесс
перебора столбцов таб­лицы и установки указанных в них со­стояний выходов. Для
большей нагляд­ности слева от таблицы подсвечивают­ся номера выходов, на
которых в дан­ный момент установлен высокий логи­ческий уровень. Скорость
перебора (время в миллисекундах между перехо­дами от столбца к столбцу) задают
в поле “Скорость, мс”.

Учтите, операционная система Windows
- многозадачная! Это означает, что процессорное время делится между множеством
иногда скрытых от пользователя процессов, которые вы­полняются по очереди с
учетом уста­новленных в системе приоритетов. По­этому не стоит ожидать большой
точно­сти выдерживания интервалов времени менее 100 мс. Для кратковременной
остановки пе­ребора столбцов используйте кнопку Повторное нажатие на нее
продолжит перебор с места остановки. Кнопка полностью прекращает перебор столб­цов
таблицы. Если в процессе обмена информацией между компьютером и устройством
произойдет сбой либо уст­ройство будет отключено от разъема USB компьютера,
программа сообщит об ошибке, выведя в строке состояния соответствующее
сообщение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Носов Т. Управление приборами
через СОМ-порт компьютера. - Радио, 2007, № 11,0.61,62.

2. Рыжков А. US-программатор
микро­контроллеров AVR и AT89S, совместимый с AVR910. - Радио, 2008, № 7, с.
28, 29.

От редакции . Программы для микро­контроллера и компьютера находятся
на нашем FTP-сервере по адресу ftp:// ftp.radio.ru/pub/2011/02/uniUSB.zip

В статье сделана попытка предоставить пошаговую инструкцию - как соединить самодельное устройство USB HID на микроконтроллере AVR и компьютер с операционной системой Windows 7 x64 , чтобы обмениваться данными и управлять портами микроконтроллера. Пример приложения управляет через USB ножкой порта микроконтроллера (к ней подключен индикационный светодиод). Есть возможность также прочитать состояние состояние светодиода - потушен он или горит. Топик предназначен для новичков, поэтому большая просьба к знатокам программирования - приберегите тухлые яйца и гнилые помидоры иронические комментарии для более удобного случая.

Используемое программное обеспечение

Все программное обеспечение, кроме Visual Studio 2010, бесплатное, хотя есть возможность использовать Visual Studio C# 2010 Express бесплатно в течение ограниченного срока. Все действия проводились в среде операционной системы Windows 7 x64, но наверняка подойдет и любая другая операционная система семейства Windows (Windows XP и более свежая).

Используемое железо

Чтобы экономить время и усилия, лучше использовать готовую макетную плату. Особенно удобно, если в плату будет записан USB-загрузчик (bootloader), тогда не понадобится покупать программатор для перепрошивки платы. Я использовал макетную плату AVR-USB-MEGA16 с микроконтроллером ATmega32A, в ней загрузчик есть (USBasploader, эмулирующий поведение программатора USBasp). Вот так платка выглядит в натуральную величину:

Можно взять также metaboard (на нем стоит ATmega168 или ATmega328), или даже программатор на микроконтроллере ATmega8. Подобные железки можно дешево купить на ebay.com или dx.com .

Создание firmware микроконтроллера с помощью Atmel Studio 6 и библиотеки V-USB

Теперь нужно правильно настроить компилятор. В верхнем меню AS6 нажите Tools , далее Options.. и появится вот такое окно:

Слева в списке выберите Toolchain . Справа появится список Flavours. Этим словечком Atmel закодировала возможные варианты используемого инструментария (тулчейны).

Примечание. В списке уже присутствует тулчейн Native, который используется по умолчанию (Default). Тулчейн Native - это компилятор GCC вместе с заголовочными файлами и библиотеками, которые предоставляют необходимую среду компилирования исходного кода для микроконтроллера. Этот тулчейн предоставила Atmel, он устанавливается автоматически вместе с установкой AS6. Как я уже упоминал, для компиляции можно использовать и этот тулчейн, но тогда в исходный код примеров V-USB (на основе примера USB HID будет работать наше устройство USB) придется вручную вносить исправления. Они несложные, но для новичков будет лучше добавить сюда тулчейн WinAVR, и использовать для компиляции именно его.
Для добавления в список Flavours тулчейна WinAVR нажмите кнопку Add Flavour , появится следующее окно:

В верхней строчке этого окна введите имя компилятора WinAVR (произвольное), а в нижней строке введите полный путь, куда установлен сам компилятор тулчейна (с указанием папки \bin) и нажмите кнопку Add . В списке Flavours появится добавленный компилятор, как показано на скриншоте.

Выделите мышкой наш новый добавленный компилятор WinAVR и нажмите кнопку Set As Default (сделать его тулченом по умолчанию), и нажмите OK. После этой процедуры наша AS6 будет использовать компилятор WinAVR.

Пора настроить свойства нашего проекта, для этого курсором в Solution Explorer левым щелчком выберите имя проекта и нажмите Alt+F7 (меню Project -> Properties), появится окно с настройками:

Сделайте следующие настройки:

• В разделе AVR/GNU C Compiler -> Symbols добавляем в поле -D строчку F_CPU=12000000UL - это соответствует частоте микроконтроллера 12 МГц (такой кварц установлен на моей макетной плате AVR-USB-MEGA16).
• В разделе AVR/GNU Assemler -> General в поле Assembler flag надо добавить -DF_CPU=12000000UL .
• В разделе AVR/GNU C Compiler -> Optimization в поле Optimization Level должно стоять Optimize for size (-Os) .

В выпадающем списке Toolchain Flavour выберите добавленный компилятор WinAVR, чтобы при компилировании проекта AS6 использовала его. На этом настрока AS6 закончена.

Далее необходимо в созданный проект добавить файлы исходного кода проекта - см. папку firmware\VUSB, файлы VUSB.c, usbdrv.c, usbdrvasm.S и oddebug.c. Проект ASS6 создан на основе одного из примеров библиотеки V-USB: hid-custom-rq, который изначально компилировался с помощью утилиты make из командной строки. На основе библиотеки V-USB можно найти много других примеров кода - в основном это устройства USB HID (мыши, клавиатуры, устройства ввода и вывода), но есть также и устройства USB CDC (виртуальный COM-порт). Если Вам лень самому создавать проект, просто откройте в AS6 файл проекта VUSB.atsln, в нем уже сделаны все необходимые настройки и добавлены все нужные файлы.

Если у Вас используется другая макетная плата, то нужно правильно настроить файл usbconfig.h . Это конфигурационный файл библиотеки V-USB, в нем задаются многие настройки и параметры (VID, PID, ножки микроконтроллера, значения для дескрипторов и другие настройки). Подробное описание всех настроек дано в комментриях этого файла. Основное внимание следует уделить назначению выводов микроконтроллера, которые используются под сигналы USD D+ и D- (макроопределения USB_CFG_IOPORTNAME, USB_CFG_DMINUS_BIT, USB_CFG_DPLUS_BIT), к этим ножкам предъявляются особые требования. Конфигурационный файл usbconfig.h из архива предназначен под разводку ножек макетной платы AVR-USB-MEGA16, и он гарантированно работает. Моргать программа будет светодиодом, который уже имеется на макетной плате и подключен к ножке 0 порта B.

Создание программы для компьютера (ПО хоста)

Примечание. Программа была создана на основе примера консольного приложения из той же библиотеки V-USB. Компиляция исходного кода консольного приложения выполнялась с помощью makefile и пакета MinGW, и использовала библиотеку LibUSB. В нашем примере мы будем использовать графическую среду Visual Studio и библиотеку LibUsbDotNet. Однако главный цимус использования LibUsbDotNet вовсе не в том, что теперь легко и удобно можно делать не только консольные, но и графические приложения. Самый большой плюс - теперь не нужен драйвер фильтра, который таскала за собой библиотека LibUSB много лет. Для тех, кто в танке, драйвер фильтра - это особая программная надстройка над библиотекой LibUSB, через которую осуществлялся обмен данными с устройствами USB на платформе Windows. Теперь этот атавизм не нужен.
Запустите Microsoft Visual C# 2010 Express и создайте новый проект на основе Windows Form. Теперь нужно подключить к проекту библиотеку LibUsbDotNet.dll . В обозревателе решений нажмите правой кнопкой мыши на названии проекта, и выберите «Добавить ссылку».

Появится ещё одно окно

Здесь нужно найти путь на диске, где находится библиотека LinUsbDotNet.dll (по умолчанию она устанавливается папку C:\Program Files\LibUsbDotNet, но лучше сделать копию файла DLL в рабочий каталог проекта. После подключения библиотеки её нужно объявить в проекте, для этого добавьте в главный модуль программы (файл Form1.cs) строки:

Using LibUsbDotNet; using LibUsbDotNet.Info; using LibUsbDotNet.Main;
Перейдите к визуальному редактору формы, и приведите её приблизительно к такому виду (добавьте 3 кнопки Button и 3 текстовых метки Label):

Сделайте обработчик события загрузки формы. Он нужен для того, чтобы при старте программы происходила инициализации экземпляра класса LibUsbDotNet, через который осуществляется обмен с устройством USB. Перед началом обмена необходимо открыть доступ именно к нашему устройству, потому что к компьютеру может быть подключено несклько устройств USB HID, и необходимо уметь обращаться к каждому по отдельности. Для целей идентификации USB-устройств служат специальные идентификаторы, которые имеют абсолютно все устройства USB, это VID и PID.

Примечание. Иногда для идентификации устройства дополнительно используется уникальный серийный номер или отдельный текстовый дескриптор - когда к компьютеру подключено несколько устройств USB с одинаковыми VID и PID, но это не наш случай. Поскольку обычно у каждого USB-устройства, подключенного к компьтеру, своя пара VID/PID, отличающаяся от других устройств, то найти нужное устройство и обратиться к нему не составляет проблем.
VID это идентификатор производителя (Vendor ID), а PID - идентификатор устройства (Product ID). Наше USB-устройство имеет VID: 0x16C0 , PID: 0x05DF , эти значение указаны в конфигурационном файле usbconfig.h (об этом файле мы уже упоминали) проекта микроконтроллера AS6. Чтобы ПО хоста обратилась к именно к нашему USB-устройству, нужно инициализировать объект MyUsbFinder такими же параметрами VID: 0x16c0, PID: 0x05df, как указаны в файле usbconfig.h . Для этого в область определения глобальных переменных класса Form1 добавьте следующий код:

Public static UsbDevice MyUsbDevice; public static UsbDeviceFinder MyUsbFinder = new UsbDeviceFinder(0x16c0, 0x05df);
После того как мы определились с каким USB-устройством будем работать, можно к нему подключаться, и это удобно сделать в момент старта программы (открытия окна формы). Для этого выберите основную форму программы, и в редакторе свойств создайте обработчик события загрузки Form1_Load. В теле обработчика введите следующий код:

Private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) { MyUsbDevice = UsbDevice.OpenUsbDevice(MyUsbFinder); if (MyUsbDevice != null) { label2.Text = " подключено!"; } else label2.Text = " не найдено!"; }
Сделайте обработчик события клика на кнопке button1 («Вкл»), для этого сделайте в визуальном редакторе на кнопке двойной щелчок, и добавьте в тело обработчика события код:

Private void button1_Click(object sender, EventArgs e) { // Передать пакет, который включает светодиод на макетной плате AVR-USB-MEGA16. UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_Out), 1, (short)1, 0, 0); int countIn; byte data = new byte; MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 0, out countIn); }
Для обработчика кнопки «Выкл» добавьте код:

Private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { // Передать пакет, который погасит светодиод на макетной плате AVR-USB-MEGA16. UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_Out), 1, (short)0, 0, 0); int countIn; byte data = new byte; MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 0, out countIn); }
Код для обработки кнопки «Чтение»:

Private void button2_Click(object sender, EventArgs e) { //Получение данных от макетной платы AVR-USB-MEGA16 - состояние светодиода. UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_In), 2, (short)0, (short)0, (short)0); int countIn; byte data = new byte; if (MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 1, out countIn) && (countIn == 1)) { label3.Text = "Прочитано значение " + data.ToString(); } }
Обработчик события закрытия формы (завершение работы программы) гасит светодиод, если он горит:

Private void Form1_FormClosed(object sender, FormClosedEventArgs e) { UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_Out), 1, (short)0, 0, 0); int countIn; byte data = new byte; MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 0, out countIn); }

Как пакеты USB декодируются в firmware микроконтроллера

UsbMsgLen_t usbFunctionSetup(uchar data) { usbRequest_t *rq = (void *)data; if((rq->bmRequestType & USBRQ_TYPE_MASK) == USBRQ_TYPE_VENDOR){ DBG1(0x50, &rq->bRequest, 1); /* отладочный вывод: печатаем наш запрос */ if(rq->bRequest == CUSTOM_RQ_SET_STATUS){ if(rq->wValue.bytes & 1){ /* установить LED */ LED_PORT_OUTPUT |= _BV(LED_BIT); }else{ /* очистить LED */ LED_PORT_OUTPUT &= ~_BV(LED_BIT); } }else if(rq->bRequest == CUSTOM_RQ_GET_STATUS){ static uchar dataBuffer; /* буфер должен оставаться валидным привыходе из usbFunctionSetup */ dataBuffer = ((LED_PORT_OUTPUT & _BV(LED_BIT)) != 0); usbMsgPtr = dataBuffer; /* говорим драйверу, какие данные вернуть */ return 1; /* говорим драйверу послать 1 байт */ } }else{ /* вызовы запросов USBRQ_HID_GET_REPORT и USBRQ_HID_SET_REPORT не реализованы, * поскольку мы их не вызываем. Операционная система также не будет обращаться к ним, * потому что наш дескриптор не определяет никакого значения. */ } return 0; /* default для нереализованных запросов: не возвращаем назад данные хосту */ }
Наше устройство USB HID простейшее, и реагирует оно только на управляющие передачи (control transfer), которые проходят через конечную точку 0 (default control endpoint). По типу запроса (поле bRequest) декодируется направление передачи данных. Если CUSTOM_RQ_SET_STATUS, то это данные, предназначаемые для микроконтроллера. Данные декодируются и микроконтроллер выполняет заложенную там команду. В этом случае в самом первом по порядку принятом байте данных закодировано состояние светодиода - если там в младшем бите единичка, то светодиод включается, а если нолик, то гаснет. Если же в поле bRequest принято значение CUSTOM_RQ_GET_STATUS, то в ответ заполняется буфер текущим состоянием светодиода, и данные буфера отправляются обратно хосту. Все очень просто, и при желании поведение кода можно легко переделать под свои нужды.

Видео, как это работает:

Буду рад ответить в комментариях на вопросы и конструктивные замечания.

В наше время в каждой мастерской по ремонту электротехники, да, в прочем, и у каждого радиолюбителя рабочий день начинается с включения ПК, а уж потом и вспомогательного электрооборудования. В прочем с включения ПК рабочий день начинается не только у радиолюбителей, но и во многих пользователей сего «девайса», плотно вошедшего в нашу жизнь. А вот каждый день включать утром и выключать вечером, ну, предположим, принтер, активные колонки, настольную лампу да мало ли чего можно встретить у рядового пользователя, немножко надоедает. Исходя из условленных задач была поставлена цель создать коммутатор нагрузки, предназначенный для включения-выключения всех сопутствующих устройств. Соглашусь можно пойти по пути наименьшего сопротивления и поставить на всё обыкновенный выключатель, но, похоже, это не путь для радиолюбителя. Мы будем делать гораздо удобнее - встроим автомат в сетевой фильтр:

Так как устройство отслеживает факт включения-выключения устройства по принципу «ведомый-ведущий» самый простой способ - использовать USB порт. Обозначу сразу, при использовании USB порта устройство работает в ноутбуках и компьютерах с блоком питания, отключающем все источники питания. К примеру, в последних моделях блоков питания +5 вольт USB порта присутствует как дежурное даже при выключенном блоке. С ними устройство работать не будет, точнее будет, но постоянно включено. Здесь необходимо как источник сигнала использовать какой либо иной порт, и, соответственно, согласовывать сигнал источника и исполнительного механизма.

В данном устройстве исполнительным механизмом служит реле, с контактами, рассчитаными на 16 ампер и с катушкой на 5 вольт. Использование реле выполняет гальваническую развязку источника сигнала и сети 220 вольт.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что при питании, согласно паспортных данных, +5 вольт реле потребляет 150 мА тока. Если использовать стационарный компьютер - нет никаких проблем, ибо +5 вольт USB порта идут непосредственно с блока питания и не сильно нагружают его. Если всё вышесказанное устраивает на этом - можно остановиться и сделать свой вариант по ниже приведенной схеме.

Но если планируется использовать ноутбук, то как бы прогонять дополнительные 150 мА через через компьютер не желательно, в таком случае необходимо использовать дополнительный блок питания 5 вольт. В данном варианте был использован импульсный источник питания от зарядного устройства от мобильного телефона. Можно использовать любой нестабилизированный источник питания при условии, что он может обеспечить напряжение 5 вольт и ток порядка 250 мА с учетом запаса. Также можно использовать и другое напряжение, но в таком случае необходимо будет взять и реле с соответственным напряжением питания. Для согласования источника сигнала с реле и источником питания необходимо установить транзисторный ключ типа:

Транзистор выбран типа КТ815 с любой буквой и резистор 1 кОм, диод - КД522. При такой схеме включения ток потребления показал 4 мА, что не столь существенно для ноутбука. Светодиод LED1 и LED2 обозначают состояние цепи. По желанию вместе с резисторами их можно исключить из схемы.

Устройство управления 220 В собрано в свободном месте корпуса розетки - сетевого фильтра. Файл схемы в сплане находится