基于AVR USB接口的溫度測量系統設計

裴文蓮 余小昕

（安徽理工大學計算機學院，安徽 淮南 232001）

1 、引言

ATmega8是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，AT－mega8的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz。USB接口以其數據傳輸快、連接簡單、易于擴展、支持熱插拔等特點已成為外設與PC通信的主要方式之一。靈活輕便的Atmega8可以利用中斷和串行通信技術實現模擬USB通信。

2 、系統硬件設計

2.1 硬件總體設計

設計所用的傳感器是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃。 核心模塊是AVR高速單片機Atmega8。AVR單片機是新一代基于哈佛結構的高速RISC微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高，I/O口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等特點，其內部集成有可進行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機的ISP下載電纜制作簡單、成本低廉，還有免費的下載軟件 (例如PonyProg)支持。Atmega8內部集成了8路10位的ADC，外部中斷通過引腳INT0和INT1觸發。電路板的硬件資源中附加一個USB接口，便于主從之間進行數據交換。

2.2 "軟USB"的實現方法

在不是使用USB控制器的情況下，實現AVR單片機進行類似USB形式的數據傳輸，需要在硬件上加以添加器件。如圖一，在Data-上接一個阻值為1.5K的上拉電阻。該上拉電阻實現的是低速USB數據傳輸。AVR單片機由于實現的是"軟USB"，由于本身處理能力所限，只能實現低速數據傳輸，故該上拉電阻不可缺省。此外，系統要使用12 MH2晶振，這樣，經過8分頻后才能使用USB低速1.5 MB／s的數據傳輸速率。

由于USB接口的電壓數值為3.6 V。而電腦USB端口的輸出電壓為5 V，因此，為了電平匹配，本電路特使用3.6 V穩壓二極管D1、D2來分別與D一、D+相連，其中兩端口分別通過68Ω的電阻與PD4以及PD2相連；

因為涉及到外設，所以需要安裝驅動。本文所選擇的驅動程序為LibUSB-Win32。該驅動程序可應用于Win2000、WinXp等Windows操作系統上。并允許用戶通過直接調用函數的方式對Windows系統上的任意一個USB設備進行訪問。該驅動程序具有以下特點：能夠任意與已安裝的USB設備進行通信；可用作自己開發USB設備的驅動程序；支持批量和中斷傳輸；支持USB規范的所有標準設備請求；支持USB設備制造商的自定義請求。

2.3 原理圖設計

針對本設計所要完成的任務，以Atmega8為核心，設計電路圖并制作開發板。原理圖的繪制分成兩層來設計：顯示部分(DISPLAY)和微處理器部分 (MCU)。DISPLAY層主要有LED和LCD顯示器；MCU層主要有Atmega8核心器件、USB接口電路、AD轉換部分、相應的串口以及必要的周邊電路。MCU層中的USB接口與微處理器的連接如圖一所示。

圖一USB與微處理器的連接示意圖

3 、軟件部分設計

使用GCC可以方便的編譯avr程序

3.1 系統流程

軟件設計及其實現是基于WINAVR編程環境，代碼則利用C語言實現。AVR單片機主要完成兩個功能：溫度測量和數據傳送。溫度測量主要是對電壓信號進行采樣，以確定溫度的離散數值。傳送數據則是將測量的數據通過AVR所模擬的USB端口傳至PC端，以便PC端進行數據的顯示。其主要流程如圖二所示。

3.2 溫度數據的采集

ATmega8內含一個10位逐次逼近型ADC。該ADC可與一個8通道的模擬多路復用器連接，以對來自端口C的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0 V(GND)為基準。對于連續AD數據采集，采用的是中斷法與微處理器進行通信，即一次AD轉換結束后便產生中斷。設計時可利用如下函數對電壓數值進行采集：首先定義全局變量Value，儲存所測量到的溫度數值，并將該值作為USB端口的發送

3.3USB數據傳輸

為了利用ATMEGA8模擬"軟USB"，在搭建好了開發環境的前提下，在WINAVR將AVRUSB的文件配置文件夾USBDRV放置在源文件目錄下。USB接口的函數的實現：

(1)初始化函數：使用AVRUSB前，通常都要通過調用初始化函數usbInit()來對USB端口進行初始化，調用該函數之前，考慮到該程序可能由其他程序段跳轉而來，因此，初始化之前，一般要將USB端口進行重新復位，復位只需要將D-和D+端口的電平拉低即可；

(2)用戶程序的主循環中需要定期調用USB事件處理函數。USB事件處理函數在沒有USB事件需要處理時將直接返回，否則將調用內部函數來進行相應的事件處理，最后再將數據傳遞到用戶接口函數中，用死循環實現即可。一次USB通信的超時時間是50ms。所以，在編程時應注意其他事件不要占用太長的時間。

(3)事件接口函數：在用戶程序中，需要編寫USB用戶事件接口函數，以完成USB通信。AVRUSB將用戶接口簡化為以下3個函數：usbFounctionWrite ()、usbFounctionRead()、usb－FounctionSetup()，參照功能參數表，將相應位置1或0。

(4)編譯文件的配置 在WINAVR軟件環境下，還需要配置MakeFile，以用于編譯編程文件。

結束語

基于AVR Atmege8 USB技術的溫度測量和顯示系統由于使用了一體的軟USB技術，其硬件電路設計更加小巧穩定。經使用和測試證明：該系統具有性能穩定、價格低廉等特點。重要的是，本系統提供了一種低成本的USB設計方案，同時較詳細的提供了溫度測量系統設計流程和部分代碼，在GCC環境下用C語言實現所有的軟件設計很簡單易行。從而為中低成本的USB設備開發提供了一個較好的思路。

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